小中高と野球部在籍、大学で柔道を始め三段取得。大学卒業後のアメリカ留学を経て、総合格闘技を始めた。1995年12月、全日本アマチュア修斗選手権ミドル級（-76kg）で優勝し、1996年1月20日に奥田康則をTKOしてプロ修斗デビュー。1996年3月、第2回全日本コンバットレスリング選手権にて準優勝を果たした。1998年5月13日、修斗ミドル級王座決定戦で桜井"マッハ"速人と対戦し、0-3の判定負けを喫し王座獲得に失敗した。1999年2月2日、SuperBrawlでUFC世界ライト級（-77kg）王者パット・ミレティッチと対戦し、三角絞めで一本勝ちを収めた。2002年3月22日、UFC 36でショーン・シャークと対戦し、0-3の判定負け。2003年2月2日、初参戦となったシュートボクシングで渡邉卓也と対戦し、3-0の判定勝ち。2004年10月4日、DEEPウェルター級（-76kg）トーナメントに出場。準決勝で青木真也をカウンターの左ストレートでKO勝ち、決勝では中村大介にマウントパンチでTKO勝ちを収め初代DEEPウェルター級王座に認定された。2005年7月17日、PRIDE 武士道 -其の八-でマーカス・アウレリオと対戦し、0-3の判定負け。2007年2月16日、DEEP 28 IMPACTのウェルター級タイトルマッチで長谷川秀彦と対戦し、0-2の判定負けを喫し王座陥落した。2007年7月8日、DEEP 30 IMPACTで國奥麒樹真と対戦。終了間際にバックマウントポジションを奪うも時間切れとなり、1-1の判定ドローとなった。2009年2月20日、DEEP 40 IMPACTのライト級王者決定トーナメント1回戦で松本晃市郎と対戦し、0-3の判定負けを喫した。2009年8月23日、DEEP 43 IMPACTで日本復帰戦となる長南亮と対戦し、0-3の判定負けを喫した。2011年4月22日、DEEP 53 IMPACTで北岡悟と対戦し、0-3の判定負けを喫した。
2004年にオーストラリアのテレビドラマ『Home and Away』のロビー・ハンター役のオーディションを受けるが、落選。しかしその後、同作品のキム・ハイド役に抜擢され、2007年まで出演する。2005年、オーストラリアのテレビ界最高峰であるロギー賞で人気新人俳優賞『Most Popular New Talent - Male』を受賞。2009年、J・J・エイブラムス監督の映画『スター・トレック』で主人公ジェームズ・T・カークの父親のジョージ・カークを演じ、ハリウッドデビュー。2011年に公開されたマーベル・コミック原作の映画『マイティ・ソー』で主人公のソーを演じて、一躍世界的に知名度が上がった。また、2012年公開の『アベンジャーズ』、2013年公開の『マイティ・ソー/ダーク・ワールド』、2017年公開の『マイティ・ソー/バトルロイヤル』など、以後８年間で『マイティ・ソー』シリーズ３作品と『アベンジャーズ』シリーズ４作品、合計７作品に同役で出演。屈強な雷神ソーを演じるにあたり、監督から「出来るだけ体を大きくするように」という指示があり、ウエイトトレーニングで体重を１０Kg増やし役作りに挑んだ。2013年、ロン・ハワード監督の映画『ラッシュ/プライドと友情』では、往年のF1レーサーでプレイボーイとしても知られたジェームス・ハント役を演じた。レースカーに収まる体型にする必要があるとハワード監督に言われ、ソーを演じる際に求められた97.5Kgの体重を84Kgに絞り、４か月で13.5Kgの減量をした。2014年、『ピープル』誌が選ぶ"Sexiest Man Alive"「最もセクシーな男性」に選ばれた。オーストラリアのプロスポーツ・AFL（オーストラリアン・フットボール・リーグ）の2014年のキャンペーン「Everything's Possible」の顔に起用され、キャンペーンに関するクリスの出演料はオーストラリア子供基金に全額寄付された。　また2017年にも、AFLのコマーシャル「I'd Like to See That」に出演している。2015年、スイスの高級時計ブランドTAG Heuer（タグ・ホイヤー）のアンバサダーに就任。ロン・ハワード監督の映画『白鯨との闘い』に主演。やせ衰えていく主人公を演じるため、一日の摂取カロリーを５００～７００キロカロリーに抑えて再び２０Kgの減量をした。すしやみそ汁など日本食がダイエットメニューだったという。以前はSNSには乗り気ではない意志を示していたが、2015年3月にTwitter、2015年10月にインスタグラムのアカウントを開設。2019年8月現在インスタグラムのフォロワー数は３８００万人を超えている。2016年、オーストラリア政府観光局よりグローバル大使に任命された。2016年の映画『ゴーストバスターズ』では受付のケヴィンを演じた。ほとんどがクリスによるアドリブ演技である。2017年、HUGO BOSS（ヒューゴ・ボス）の男性用フレグランス「Boss Bottled」の広告塔に起用された。2018年2月、1986年の映画『クロコダイル・ダンディー』の続編予告に見せかけたオーストラリアの観光PRコマーシャルに、ヒュー・ジャックマン、マーゴット・ロビー、ラッセル・クロウ、弟のリアム・ヘムズワースなどと共に出演。アメリカ最大のスポーツイベントであるスーパーボウルの放映中に流され、CMは大きな反響を呼んだ。2018年8月10日、パラマウント・ピクチャーズとの間で行われていた、ジョージ・カーク役としてのスタートレック「ケルヴィン・タイムライン」シリーズ第四作への出演交渉が決裂したと報じられた。2018年、米経済誌フォーブスが発表した「２０１８年ハリウッドで最も稼いだ俳優」の４位にランクインする。2019年、『アベンジャーズ/エンドゲーム』にソー役で出演。７作品のマーベルとの出演契約を満了した。2019年、映画『メン・イン・ブラック：インターナショナル』で、MIBロンドン支部に所属するエージェントH役を演じた。ここまで活発に映画に出演してきたが、海外での撮影ロケで数か月家からいなくなることを娘のインディアがさみしがる年齢になったため、子供たちと過ごすための年内いっぱい約半年の休暇を取ることをインタビューで明かした。しかし、同年2月に撮影終了していたNetflix映画『Dhaka』の再撮影が10月に行われることが決まり、再び体を作り直してロケ地インドへ向かうこととなった。2019年6月20日、「ハリウッド・ウォーク・オブ・フェーム」に名前が刻まれることが発表された。2019年7月21日のサンディエゴ・コミコンにて、タイカ・ワイティティ、クリス・ヘムズワース、ナタリー・ポートマン、テッサ・トンプソンが登壇し、『マイティ・ソー』シリーズの4作目のタイトルが『Thor: Love and Thunder』であること、公開予定日が2021年11月5日あることが公式発表された。『ガーディアンズ・オブ・ギャラクシー Vol.3』出演の噂も流れているが、クリス本人は6月の時点では出演交渉もなく、ガーディアンズ3作目がいつ撮影されるのかも知らないと答えている。　2019年、米経済紙フォーブス発表の「２０１９年最も稼いだ俳優」の２位にランクインした。