Tras su éxito en la televisión australiana, se mudó a los Estados Unidos y debutó en el cine con la película Star Trek (2009).

Por otra parte, desde 2010 está casado con la actriz Elsa Pataky, con quien tiene tres hijos y reside en Sídney.

[4]​ Asistió al Heathmont College, donde participó en varias obras escolares hasta que su familia se mudó a la Isla Phillip cerca de su cumpleaños 18.

[8]​ Al ver su potencial, Talmadge lo ayudó a conseguir varios papeles en la televisión australiana; a los 19 años interpretó al Rey Arturo en la serie de televisión Guinevere Jones y luego tuvo papeles menores en varias soap operas como Neighbours y Marshall Law.

[12]​ Más tarde, se mudó a un apartamento en Sídney y audicionó para Home and Away, donde obtuvo el papel de Kim Hyde.

[14]​ No obstante, dicho papel le otorgó un galardón en los Logie Awards como actor nuevo más popular de 2005.

[37]​[38]​ Dio vida al cazador Eric en Snow White and the Huntsman (2012), que fue un éxito comercial con una recaudación de 401 millones de dólares y le valió una nominación a los People's Choice Awards, pero tuvo reseñas mixtas.

[39]​[40]​[41]​ También personificó al soldado Jed Eckert en Red Dawn (2012), que si bien le otorgó una nominación a los Teen Choice Awards, fue un fracaso tanto en crítica como taquilla.

[42]​[43]​ Después tuvo un cameo en Star Trek Into Darkness (2013) y protagonizó la película Rush (2013) interpretando al corredor James Hunt.

[48]​[49]​[50]​[51]​ Dos años después, volvió a interpretar al personaje en Avengers: Age of Ultron (2015), que logró reseñas positivas, le dio su segundo premio en los People's Choice Awards y recaudó 1.4 mil millones de dólares, que la hicieron la cuarta producción más taquillera de 2015.

[56]​[57]​[58]​[59]​ Asimismo, apareció en Vacation (2015), que, aunque mal recibida por los expertos, fue un éxito comercial y le dio una nominación a los MTV Movie Awards.

[62]​ Volvió a personificar al cazador Eric en The Huntsman: Winter's War (2016), filme que fue un fracaso tanto en taquilla como en crítica, con los expertos considerándola una de las peores películas del actor hasta ese momento.

[73]​[74]​ De igual forma, apareció en Bad Times at the El Royale (2018), que fue bien recibida por la crítica pero supuso un fracaso en la taquilla.

[85]​ En 2020, Hemsworth protagonizó e hizo su debut como productor con la película Extraction (2020), producida y distribuida por Netflix.

[99]​[100]​[101]​ Por otro lado, protagonizó Furiosa: A Mad Max Saga (2024), una precuela de Mad Max: Fury Road (2015) enfocada en el personaje homónimo, que aunque recibió elogios por parte de la crítica especializada, representó un fracaso en la taquilla.

[108]​ Hemsworth mantuvo una relación entre 2005 y 2008 con la actriz Isabel Lucas, a quien conoció durante las grabaciones de Home and Away.

[127]​[128]​[129]​ A raíz de ello, el actor creó una aplicación para móviles llamada Centr, la cual da consejos sobre nutrición y salud.

[131]​[132]​[133]​[134]​ Sin embargo, Hemsworth se ha quejado del exceso de atención que recibe su físico y durante una entrevista con The Telegraph en 2021 comentó que: «El culturismo es visto como una vanidad, pero si me esforzara en perder mucho peso o tener un cuerpo poco saludable para cierto papel, sería tomado seriamente como actor.