Narodil se v Melbourne učitelce angličtiny Leonie a poradci sociálních služeb Craigu Hemsworthovým. Má dva bratry, Liama a Lukea, kteří se taktéž věnují herectví. Má anglické, irské, skotské a německé kořeny.

V letech 2002–2007 působil v australských televizních seriálech, především v mýdlové opeře Home and Away, kde hrál v letech 2004–2007. Ve filmu debutoval v roce 2009, kdy si ve snímku Star Trek zahrál George Kirka, otce kapitána Jamese T. Kirka. V roce 2011 pak dostal titulní roli ve filmu Thor, kterou si zopakoval i v následujících snímcích Avengers (2012), Thor: Temný svět (2013) a Avengers: Age of Ultron (2015).

V roce 2010 si vzal o sedm let starší španělskou herečku Elsu Pataky, se kterou má tři děti – dceru Indii a syny, dvojčata Tristana a Sashu.

V roce 2012 si zahrál ve filmech Sněhurka a lovec a Chata v horách. O rok později ztvárnil ve snímku Rivalové jezdce formule 1 Jamese Hunta.

Roku 2015 hrál v dramatu V srdci moře, kterému jako předloha stála kniha In the Heart of the Sea od Nathaniela Philbricka. V roce 2016 si znovu zahrál roli Erica ve filmu Lovec: Zimní válka a vedlejší roli získal ve snímku Krotitelé duchů.

Roli Thora si zopakuje ve filmu Thor: Ragnarok, který je připravován na rok 2017, v Avengers: Infinity War (2018) a v dalším oznámeném sequelu s týmem Avengers (2019). Oznámen byl i jeho návrat coby George Kirka pro čtvrtý film nové série Star Trek.