Chris Hemsworth lahir di Melbourne,[4] putra dari Leonie, seorang guru bahasa Inggris, dan Craig Hemsworth, seorang konselor sosial.[5][6] Ia adalah anak kedua dari tiga bersaudara; kakaknya, Luke dan adiknya, Liam, juga berprofesi sebagai aktor.[7]
Pada tahun 2004, Hemsworth mengikuti audisi untuk peran Robbie Hunter dalam opera sabun Australia, Home and Away, namun gagal mendapatkan peran tersebut. Ia lalu ditawarkan peran Kim Hyde dan pindah ke Sydney. Hemsworth telah tampil dalam 171 episode pada seri tersebut.[8] Pada tahun 2009, Hemsworth mendapatkan peran sebagai ayah James T. Kirk dalam film Star Trek. Ia juga memerankan karakter Kale dalam film A Perfect Getaway pada tahun yang sama. Peran yang memopulerkan namanya adalah karakter superhero Marvel Comics, Thor, dalam film Thor pada tahun 2011. Ia kembali berperan sebagai Thor dalam film-film Marvel berikutnya, yakni The Avengers (2012), dan Thor: The Dark World (2013)
Hemsworth berkencan dengan rekannya sesama pemeran Home and Away, Isabel Lucas, dari tahun 2005–2006. Hemsworth mulai mengencani aktris Spanyol, Elsa Pataky, pada awal 2010.[9] Mereka menikah pada bulan Desember 2010,[10] dan telah dikaruniai seorang puteri bernama India Rose
