Comme ses deux frères  Liam et Luke, l'acteur australien fait ses premières armes à la télévision. De 2002 à 2007, il multiplie les apparitions dans des séries à succès de son Australie natale telles que Les Voisins et Grand galop. Après un rôle récurrent dans le soap opera Summer Bay, le jeune acteur fait une entrée fracassante dans le monde du cinéma. En 2009, il interprète George T. Kirk, le père du Capitaine Kirk incarné par Chris Pine, dans la séquence d'introduction du Star Trek de J.J. Abrams.

Ce rôle bref lui permet de passer en tête d'affiche sur d'autre projets plus modestes qui n'ont pas bénéficié de sortie dans les salles françaises : L'acteur se glisse ainsi dans la peau d'un randonneur psychopathe dans le thriller Escapade fatale, dans lequel il menace un couple de vacanciers, avant de prendre lui-même la place de la victime sous la menace de Sean Bean dans le polar Cash en 2010.

Sa carrière décolle définitivement en 2011, lorsqu'il incarne pour la première fois Thor, un super-héros adapté des comics Marvel. Dirigé par Kenneth Branagh, il se fait connaitre mondialement et donne la réplique aux acteurs oscarisés Natalie Portman et Anthony Hopkins. Désormais engagé avec Marvel Studios, Chris Hemsworth reprend son rôle et son marteau pour Avengers, qui réunit les principaux super-héros de la Maison des Idées : Iron Man, Captain America, Hulk, Thor, la Veuve Noire, Œil de Faucon, etc.

Si Hemsworth a décroché ce rôle tant convoité, c'est en grande partie grâce à Joss Whedon, le réalisateur d'Avengers, qui l'a imposé à Kenneth Branagh. Les deux hommes avaient collaboré ensemble sur La Cabane dans les bois, un film d'horreur de Drew Goddard, dans lequel Hemsworth se retrouve pris au piège d'une cabane aux secrets mortels. Produit et scénarisé par Whedon, filmé en 2009 mais sorti en 2012, ce long métrage a donc eu un impact déterminant sur sa carrière.

Hemsworth peut désormais porter sur ses larges épaules une autre super-production : protégeant Kristen Stewart transformée en princesse guerrière, il joue le second rôle titre de Blanche-Neige et le chasseur.

En 2013, le comédien tient le rôle principal du film d'action L'Aube rouge tourné en 2009, puis se retrouve sous la direction du réalisateur Ron Howard dans le biopic Rush où il incarne le rôle du coureur automobile flambeur James Hunt aux côtés de son rival Niki Lauda interprété par l'Allemand Daniel Brühl. Toujours la même année, il retrouve pour la troisième fois Mjölnir, sa cape rouge, son armure d'asgaardien et Tom Hiddleston dans Thor : Le Monde des ténèbres.

Chris Hemsworth quitte ensuite le monde du blockbuster superhéroïque pour tourner dans le très mal reçu thriller de Michael Mann, Hacker (2015). L'acteur endosse le rôle de Nicholas Hathaway, cybercriminel forcé de coopérer avec les autorités pour traquer un mystérieux hacker en Asie. La même année, il est en tête d'affiche d'un autre flop commercial, Au coeur de l'Océan, bien rattrappé par Avengers : L'ère d'Ultron qui réalise le score délirant d'1 milliard 408 millions de dollars au box-office mondial.

Toujours sollicité pour des rôles physiques dans des films coûteux, Chris Hemsworth reprend son personnage du viril chasseur dans Le Chasseur et la reine des glaces et celui de Thor dans le troisième opus de la saga où il affronte quelqu'un qu'il connaît bien en la personne de Hulk. Entre les deux, il démontre une fois de plus l'étendue de ses talents comiques dans SOS Fantômes.

Logiquement à l'affiche de Avengers: Infinity War et Endgame, dépassant les deux milliards de recettes, Chris retrouve Tessa Thompson pour les besoins de Men in Black: International, reboot de la franchise initiée en 1997 par Barry Sonnenfeld. Pour Netflix, il incarne ensuite un mercenaire pris dans une spirale d'action démente dans Tyler Rake, puis prend à nouveau du muscle pour Thor: Love And Thunder. Prochainement, on le verra dans la suite de Tyler Rake et Furiosa, un préquel de Mad Max: Fury Road.