Первой его пробой на актерском поприще была роль Короля Артура в довольно быстро закрывшемся детском телевизионном шоу “Guinevere Jones”. В 2004-ом он прослушивался – к сожалению, неудачно – н а роль Робби Хантера (исполненную в конце концов Джейсоном Смитом); сразу после этого ему предложили роль Кима Хайда. После успешного прохождения прослушивания он переехал в Сидней, дабы присоединиться к съемочной команде “Home and Away”.
Хемсуорт участвовал в пятом сезоне танцевального шоу “Танцы со звездами” (“Dancing with the Stars”), вместе с Эбби Роуз.
Пара, впрочем, не преуспела и выбыла на шестом этапе. 3-го июля 2007-го он покинул актерский состав “Home and Away”. Хемсуорт дважды номинировался на премию “Логи” и один раз её получил – в 2005-ом, как самый популярный молодой талант, за роль в “Home and Away”.
В кинофильме 2009-го года “Звездный путь” (“Star trek”) Хемсуорт сыграл роль Джорджа Самуэля Кёрка-старшего, отца главного героя фильма, Джеймса Т. Кёрка. Кроме того, он снялся в независимом кинофильме “Ca$h!” (реже известном, как “Root of All Evil”), вместе с Майком Старром. Хотя “Звездный путь” вышел раньше, сам Хемсуорт называет “Ca$h!” своей первой большой ролью в кино и первым опытом в фильме американского производства. В марте 2009-го он снимался в фильме ужасов “The Cabin in the Woods”, спродюсированном такими именитыми авторам и, как Джосс Уэлдон, Дрю Годдард и Джей Джей Абрамс. Далее он заключил контракт на одну из главных ролей в ожидаемом в августе 2009-го триллере “A Perfect Getaway”, вместе с Эриком Баной и Тимоти Олифантом (кстати говоря, его главным конкурентом на роль в “Звездном Пути”). Также Хемсуорт был выбран на роль Тора в запланированных на 2011-ый экранизациях популярных комиксов “Тор” (“Thor”) и “Мстители” (“Avengers”). Активно муссируются слухи о его назначении на главную роль Джеда “Росомахи” Эккерта в грядущем ремейке классического боевика 1984-го года “Красный закат” (“Red Dawn”).