Melbourne városban. egy csütörtöki napon, a hét azon napján, ami Thorról lett elnevezve. Anyja, Leonie angol tanár, apja Craig Hemsworth pedig szociális tanácsadó. 2 fiútestvére van, akik szintén színészettel foglalkoznak. Gyermekkorát az északi területen levő Bulmanben, egy ausztrál bennszülött kisvárosában töltötte bivalyok és krokodilok között. Később visszaköltöztek Melbourne-be, ahol a Heathmont College középiskolában járt.  Érettségijét követően újra Bulmanbe költöztek, majd néhány év múlva az egész család inkább a Fülöp-szigeteket választotta otthonául. Gyerekkori beceneve Kip volt, mivel kiskorában, amikor megpróbálta kimondani a nevét, valami ilyesmit sikerült: Kiptader. Első nagyobb színészi szerepe 2002-ben volt egy sorozatban, Arthur királyként, ezt követően kisebb-nagyobb szerepekkel elvolt 2009-ig, ugyanis ekkor tűnt fel a J. J. Abrams rendezte Star Trekben Georke Kirkként. 2010-ben Sean Bean mellett megkapta első főszerepét a Cash című krimiben, és 2011-ben már el is érkeztünk az első Thor-filmhez. Felesége Elsa Pataky, aki bár madridi születésű, így édesapja révén spanyol származású, édesanyja a magyar–román származású Cristina Pataky. Saját bevallása szerint Chris, ha nem színészként dolgozna, akkor író vagy rendező lenne. Ma már könnyebb erről beszélnie, a lehetőségei végtelenek tehetségének és ismertségének köszönhetően, mégis, mielőtt ismert lett, elég sok helyen dolgozott: volt pincér, építőmunkás, kertész, csapos, és szörfös ruhaüzleti eladó is. Ha már szóba jött a szörf, tudni érdemes róla, hogy már fiatalabb kora óta imádja ezt a sportot, és a mai napig ez az egyik kedvenc időtöltése. Focizni is nagyon szeretett, de egy vállsérülés megakadályozta ebben. Thor szerepéért saját testvérével, Liammel is versenyeznie kellett, valamint a Lokit játszó Tom Hiddlestonnal is, de szerencsénkre Chris lett Thor és Tom pedig Loki. Bár Hemsworthnek sosem voltak alkati problémái, a Thorra mégis fel kellett szednie körülbelül 10 kiló izmot magára, ám ez nem okozott különösebb gondot neki. Ausztrál származása miatt amerikai dialektust kellett tanulnia egy sydneyi filmes iskolában. 2012-ben megszületett kislánya, India Rose, 2014-ben pedig ikerfiai, Tristan és Sasha. 2013-ban 7. lett a Glamour magazin 50 legszexibb férfi listáján, még saját öccse, Liam is megelőzte. 2014-ben viszont a People magazin szerint ő lett a legszexibb élő ember. Jelenleg a Netflixen futó Tyler Rake: A kimenekítés 2. filmben láthatjuk.