2002–10

Pada tahun 2002, Hemsworth membintangi dua episod siri televisyen fantasi, Guinevere Jones sebagai Raja Arthur. Beliau juga membuat penampilan dalam Neighbours dan satu episod Marshall Law.

Pada tahun 2004, Hemsworth menjalani uji bakat untuk Home and Away untuk watak Robbie Hunter tetapi tidak mendapat watak itu. Beliau dipanggil semula untuk watak Kim Hyde dan berpindah ke Sydney untuk menyertai barisan pelakon, muncul dalam 171 episod siri itu.[7] Beliau meninggalkan barisan pelakon Home and Away pada 3 Julai 2007.

Hemsworth merupakan peserta musim kelima Dancing with the Stars Australia, berpasangan dengan penari profesional, Abbey Ross. Musim ini ditayangkan buat pertama kali pada 26 September 2006 dan selepas enam minggu, Hemsworth tersingkir (7 November 2006).

Pada tahun 2009, Hemsworth melakonkan watak George Kirk, dalam babak pembukaan filem J. J. Abrams, Star Trek. Beliau melakonkan watak Kale dalam filem thriller, A Perfect Getaway pada tahun yang sama. Beliau melakonkan watak Sam dalam filem 2010, Ca$h, yang merupakan filem pertamanya apabila beliau tiba di Amerika Syarikat.

2011–sekarang

Beliau dikenali dengan peranannya sebagai superhero Marvel Comics, Thor dalam filem 2011, Thor. Hemsworth menyambung wataknya dalam filem 2012, The Avengers.[8]

Beliau membintangi filem seram, The Cabin in the Woods yang dirakam tidak lama selepas tayangan Star Trek tetapi tidak ditayangkan sehingga tahun 2012. Ia membawa Hemsworth menjalani uji bakat untuk watak Thor atas desakan Joss Whedon.[9] Juga pada tahun itu, Hemsworth membintangi bersama Kristen Stewart dalam Snow White and the Huntsman sebagai Huntsman. Beliau juga melakonkan watak Jed Eckert dalam filem 2012, Red Dawn.[9] Hemsworth received the part of Thor two days after being hired for Red Dawn.[9]

Pada tahun 2013, Hemsworth membintangi Rush bersama Daniel Brühl dan menyambung wataknya sebagai Thor dalam Thor: The Dark World.[10][11] Pada tahun 2015, Hemsworth membintangi Blackhat bersama Viola Davis[12] dan menyambung wataknya sebagai Thor untuk kali keempat dalam Avengers: Age of Ultron.[13] Hemsworth kembali ke set Home and Away pada bulan November 2014 untuk menjalani penggambaran babak sebagai seorang pelakon tambahan dan bukannya sebagai karakter Kim Hyde.[14][15] Beliau muncul dalam episod yang disiarkan pada 19 Mei 2015.[15] Juga pada tahun 2015, beliau membintangi filem komedi, Vacation.[16] Filem terakhirnya pada tahun 2015 adalah In the Heart of the Sea, berdasarkan buku dengan tajuk yang sama oleh Nathaniel Philbrick. Hemsworth melakonkan watak Owen Chase.[17]

Hemsworth dijadual untuk menyambung wataknya sebagai Thor dalam Thor: Ragnarok, dijadual ditayangkan pada tahun 2017,[18] Avengers: Infinity War Part 1 (2018) dan 2 (2019).[19]