En 2004, il auditionne pour le rôle de Robbie Hunter dans la série australienne Summer Bay, il obtiendra finalement celui de Kim Hyde. Il déménage alors à Sydney. Chris apparaît dans la 5ème saison de Dancing with the Stars avec Abbey Ross, mais ils seront le 6ème couple éliminé. Il quitte la série qui l'a fait connaître le 3 juillet 2007. Il a été nommé deux fois aux Logie Award. Hemsworth incarne le père de James T. Kirk dans la scène d'ouverture de Star Trek (film) de J. J. Abrams en 2009. Il interprète le rôle de Kale dans le thriller Escapade fatale la même année. En 2010, il est Sam Phelan, le rôle titre du drame Ca$h où un truand les harcèle son épouse et lui après qu'ils ont trouvé et dépensé 600 000 dollars ne leur appartenant pas. Ce rôle, obtenu par Chris Hemsworth après seulement 6 semaines passées à Los Angeles, marque sa véritable entrée dans le cinéma Hollywoodien. Chris sera à l'affiche du film d'horreur américain The Cabin in the Woods de Drew Goddard, dans le rôle de Curt Vaughan, qui sortira sur les écrans français le 14 janvier 2011. Il sera en tête d'affiche du film Red Dawn, remake du film éponyme de 1984 ou il incarnera Jed Eckert. L'année 2011 marquera un tournant dans la carrière du jeune acteur puisqu'il portera sur ses épaules le blockbuster Thor qui est sorti sur les écrans français le 27 avril 2011 et sera suivi de près par l'adaptation d'un autre super héros en juillet : Captain America. Ces adaptations sont le prélude à la sortie prévue pour 2012 d'un film réunissant les super héros Hulk, la Veuve Noire, Iron Man, Captain America et Thor dans Les Vengeurs, sous la houlette de Joss Whedon.