Issu d'une grand-mère actrice hollywoodienne des années 30-40, Anne Gwynne, et de parents comédiens, Gwynne Gilford et Robert Pine, Chris Pine est prédestiné à prendre la même voie. Il décide toutefois de suivre d'abord des cours d'anglais à l'Université de Berkeley en Californie, puis en Angleterre, où il étudie l'anglais et l'art dramatique à l'Université de Leeds. Après quoi, il débute au théâtre avant de se lancer dans une carrière cinématographique dans divers courts-métrages et séries télévisées.

C'est en interprétant Lord Nicholas Devereaux, l'un des nombreux prétendants d'Anne Hathaway dans Un Mariage de princesse (2004), que Chris Pine fait ses premiers pas sur grand écran. Il poursuit sa route en s'essayant au thriller dans Blind Dating (2005), et revient à la comédie légère avec Lucky girl (2006) où il partage l'affiche avec Lindsay Lohan. Mais c'est avec le film thriller choral Mi$e à prix (2007) qu'il fait son entrée dans la cour des grands, et qu'il se retrouve auprès de grands noms du cinéma américain, tels que Ray Liotta, Ben Affleck ou encore Andy Garcia.

Chris Pine enchaîne avec un film petit film d'horreur de qualité, Infectés, mais c'est avec le nouveau Star Trek de J.J. Abrams, où il campe le personnage principal du Capitaine Kirk, qu'il est véritablement révélé aux yeux du grand public. Le blockbuster connaît un joli succès en salles (386 millions de dollars de recettes dans le monde) et engendre deux suites, Star Trek Into Darkness (2013) et Star Trek : Sans Limites (2016).

S'il est devenu, après la sortie du premier opus Star Trek, un acteur très sollicité au niveau des films d'action à gros budget, Chris Pine enchaîne ensuite les échecs commerciaux, comme Unstoppable (2010), Target (2012), The Ryan Initiative (2014) et The Finest Hours (2016). L'acteur démontre par ailleurs un certain penchant pour la comédie (Stretch et Comment tuer son boss 2) et tourne dans le western moderne Comancheria où il campe un braqueur de banques. 

En 2017, Chris Pine est attendu dans le blockbuster DC Comics Wonder Woman via le rôle du capitaine Steve Trevor. Compte tenu du succès du film, une suite voit le jour en 2020, dans laquelle il reprend son personnage. Entre les deux, il se glisse dans la peau du roi d’Ecosse Robert 1er dans Outlaw King réalisé par quelqu'un qu'il connaît bien en la personne de David Mackenzie. En 2022, l'acteur qui a dépassé la quarantaine sera à l'affiche de Donjons & Dragons, un film issu de l'univers du célèbre jeu de rôles.

Parallèlement, Chris Pine joue dans des séries. Il fait ainsi montre de ses talents comiques dans Wet Hot American Summer: First Day of Camp (2015) et incarne le perosnnage principal de la mini-série I Am the Night (2019), qui explore la trouble personnalité de George Hill Hodel, principal suspect du meurtre du Dahlia Noir.