Liam Hemsworth et ses deux frères ont un point commun : ils sont tous les trois acteurs. Liam est en effet le petit frère de Chris Hemsworth (Thor) et de Luke Hemsworth. A peine adulte, il marche dans les pas de ses aînés, débutant sa carrière dans des productions diffusées dans son pays natal, l'Australie. Il tourne d'abord dans des publicités, puis dans une vingtaine d'épisodes d'un soap opera à succès, "Neighbours" ("Les Voisins"), une série qui avait déjà accueilli... ses deux frères.

Liam Hemsworth entame sa carrière américaine dès 2009, une année qui marque le début d'une réussite fulgurante. Après seulement deux rôles secondaires (dans l'apocalyptique Prédictions d'Alex Proyas et l'horrifique Triangle), il apparait pour la première fois en tête d'affiche. La romance La Dernière chanson, où il a pour partenaire Miley Cyrus, le fait connaitre du public américain, et surtout de la jeune chanteuse, avec qui il partage sa vie jusqu'en 2010. 

En 2012, Hemsworth figure au casting de deux des plus grosses productions d'action de l'année. Dans Hunger Games, le premier volet adapté de la trilogie littéraire à succès, il incarne Gale Hawthorne, le meilleur ami de l'héroïne, Katniss Everdeen (Jennifer Lawrence). Le comédien est également la recrue la plus jeune du long métrage le plus musclé de tous les temps, The Expendables 2. 

Un an plus tard, Liam interprète Chris, un jeune homme qui veut devenir policier mais se retrouve impliqué dans un braquage. Il fait face à Dwayne Johnson en flic pas commode, dans Empire State, sorti en DVD en avril 2014. On le retrouve au cinéma dans Paranoïa de Robert Luketic. Il partage l’affiche de ce thriller avec Harrison Ford et Gary Oldman, mais le public n’est au rendez-vous.

Hemsworth reprend son rôle de Gale Hawthorne pour aider Katniss (Jennifer Lawrence) dans les deux derniers volets de la franchise Hunger Games - La Révolte : Partie 1 (2014) et Partie 2 (2015). En parallèle, il tourne avec Kate Winslet et Isla Fisher dans le thriller The Dressmaker. Particulièrement à l'aise dans les blockbusters, le jeune homme est choisi pour rejoindre le casting d'Independence Day : Resurgence, suite du blockbuster ultra lucratif sorti en 1996. Il y campe le compagnon de la fille (Maika Monroe) du président des Etats-Unis (Bill Pullman).

Jouant souvent des personnages virils et taciturnes, comme en témoignent ses prestations dans Killerman, The Duel ou Arkansas, Liam Hemsworth incarne le héros de la série Most Dangerous Game en 2020, un homme qui, pour sauver sa femme malade, accepte de participer à un jeu mortel.