Dono de uma voz grave, Chris é o irmão do meio dos atores Luke Hemsworth (seriado Neighbours) e Liam Hemsworth (Presságio).

Tendo estudado na American Dialect at Screenwise Film & TV School for Actors, em Sydney, na Austrália, o começo de sua carreira foi basicamente na televisão, onde estreou como Rei Arthur no seriado Guinevere Jones (2002). Nessa mesma época, surgiram mais oportunidades em outros seriados, como Neighbours (2002) e The Saddle Club (2003), mas foi em 2004 que veio a grande chance com um papel fixo na novela Home and Away, onde ficou até 2007 no papel de Kim Hyde, pelo qual foi premiado e recebeu indicações. A popularidade foi tanta que ele durante a temporada de 2006 da versão australiana do programa Dancing with the Stars, ele se segurou até o quinto de um total de sete programas.

Em Hollywood, seu primeiro filme foi a ficção científica Star Trek (2009), mas foi o papel do Deus do Trovão em Thor (2011) que o lançou para a fama. Neste período entre os dois filmes, conheceu e casou-se com a atriz Elsa Pataky, a policial Elena Neves de Velozes & Furiosos 5 - Operação Rio (2011).