Né le 11 août 1983 à Melbourne, en Australie, Chris Hemworth grandit aux côtés de ses deux frères Luke et Liam (tous deux futurs acteurs). Il fréquente le lycée Heathmont College avant d’auditionner, à l’âge de 19 ans, pour un rôle dans le soap opera Summer Bay, qu’il parvient à décrocher. Pendant trois ans, il enchaîne les tournages pour cette série qui le fait connaître. Et la quitte, en juillet 2007, pour passer du petit au grand écran.
Après avoir été repéré en 2009 dans le rôle du père du capitaine Kirk, dans la séquence d’introduction du Star Trek de J.J. Abrams, il s’illustre en psychopathe puis en victime dans deux thrillers: Escapade fatale de Daviv Twohy (2009) puis Cash, de Stephen Milburn Anderson (2010). Mais c’est en 2011 que sa carrière prend un soudain envol. Vedette dans la peau du Dieu Thor du blockbuster du même nom (de Kenneth Branagh), l’acteur, qui donne la réplique aux oscarisés Natalie Portman et Anthony Hopkins, se fait connaître mondialement. Il reprend ensuite son rôle pour The Avengers de Joss Whedon (sorti en 2012) qui réunit les super-héros Hulk, Hawk-Eye, la Veuve noire, Iron Man, Captain America et Thor. La même année, il apparaît dans le film d’horreur de Drew Goddard, La Cabane dans les bois. La star montante d’Hollywood, que les réalisateurs commencent déjà à s’arracher, joue ensuite le second rôle-titre de Blanche-Neige et le chasseur, aux côtés de Kristen Stewart transformée en princesse guerrière. En 2013 puis en 2022, l’acteur est à l’affiche des 2e et 3e volets de Thor.
Côté vie privée, Chris Hemsworth est en couple avec l'actrice espagnole d’Elsa Pataky. Ils se marient le 26 décembre 2010 et donnent naissance à une petite fille, prénommée India Rose, le 11 mai 2012, puis à des jumeaux, deux garçons nés en 2014.