Hemsworth 2009 J.J Abrams yapımı 'Star Trek' filminin açılış sahnesinde James T.Kirk'ün babası George Kirk'ü canlandırdı. Aynı yıl 'A Perfect Getaway' filminde gerilim karakteri Kale'i canlandırdı.

Hemsworth Marvel Comics'in süper kahramanı Thor'u canlandırdı. İlk başta bu rol için kardeşi Liam son 4'e yükseldi ama yönetmen Kenneth Branagh son anda önceki adayları değerlendirme kararı aldı ve role Chris Hemsworth'u seçti

Hemsworth ayrıca 2012'de vizyona giren 'The Avengers' filminde tekrar 'Thor'u canlandırdı. 2010'da Ca$h filminde ekonomik açıdan sorunlu genç bir adamı oynadı.