Крис Хемсворт родился в 1983 году в Мельбурне. Его братья, Люк и Лиам, тоже актёры.
Когда Хемсворту было 14 лет, он и его семья переехали на маленький остров Филипп. В марте 2009 года Хемсворт переехал в Соединённые Штаты, чтобы продолжить свою карьеру там. Он и его брат Лиам остались в гостевом доме агента Криса Уильяма Ворда, прежде чем арендовать свою собственную квартиру в Лос-Анджелесе, где они проживают в настоящее время.
В 2005—2006 годах встречался с Изабель Лукас, коллегой по сериалу «Дома и в пути». С 26 декабря 2010 года женат на испанской и американской актрисе Эльсе Патаки. Их дочь, Индия Роуз Хемсворт, родилась 11 мая 2012 года. В ноябре 2013 года Хемсворт сообщил, что он и Эльса снова станут родителями. 18 марта 2014 года у пары родились сыновья — близнецы Тристан и Саша.
В 2022 году во время съёмок пятого эпизода документального фильма National Geographic «Без границ» Хемсворт узнал, что унаследовал две копии гена APOE4 (по одной от отца и матери), что означает повышенную вероятность развития у него болезни Альцгеймера. Хемсворт решил взять перерыв в актёрской деятельности на неопределённый срок, чтобы переосмыслить жизнь и проводить больше времени с семьей.
