Năm 2004, anh đi diễn thử vai Robbie Hunter trong series phim truyền hình Home and Away nhưng thất bại. Sau đó, anh được gọi đến để nhận vai Kim Hyde. Anh đã thành công với vai diễn Kim Hyde và chuyển đến Sydney để tham gia dàn diễn viên Home and Away, xuất hiện trong 171 tập của series này.[3] Hemsworth đã nhận được 2 đề cử giải Logie và thắng 1 giải trong hạng mục "Tài năng mới được yêu thích nhất" trong Home and Away vào năm 2005.

Hemsworth tiếp tục vào vai cha của James T. Kirk, tức George Kirk, trong những cảnh đầu của bộ phim Star Trek năm 2009. Cùng năm đó, anh còn vào vai Kale trong bộ phim kinh dị A Perfect Getaway.[4]

Trong bộ phim năm 2010 Ca$h, Hemsworth đóng vai Sam Phelan, một thanh niên trẻ gặp vấn đề về tài chính. Ca$h là bộ phim đầu tiên anh quay ở Mỹ. Trong những buổi phỏng vấn ở hậu trường, đạo diễn Stephen Milburn Anderson cho biết Hemsworth chỉ ở Mỹ được 6 tuần khi anh diễn thử vai. Anderson nói: "Đây là một anh chàng trẻ tuổi, có ngoại hình phù hợp, một diễn viên giỏi và rất đẹp trai. Cho nên chúng tôi không thể bỏ qua anh ấy. Tôi thực sự rất ấn tượng".[5] Tháng 11/2010 The Hollywood Reporter cho rằng Hemsworth là một trong những diễn viên trẻ có tiềm năng trở thành sao hạng A ở Hollywood.[6][7]

Anh được biết đến nhiều nhất qua vai diễn siêu anh hùng Thor của Marvel Comics, trong bộ phim Thor vào năm 2011. Anh và bạn diễn Tom Hiddleston đã tranh nhau vai diễn này, nhưng Hemsworth đã được chọn cho vai Thor, còn Hiddleston sau đó được chọn vào vai Loki. Để nhận vai này, Hemsworth nói anh đã phải tăng 9 kg cơ bắp.[8] Hemsworth sau đó trở lại với vai Thor trong phim Biệt Đội Siêu Anh Hùng vào năm 2012.[9]

Trước khi được đạo diễn Joss Whedon mời diễn thử vai Thor,[10] Hemsworth từng góp mặt trong bộ phim kinh dị The Cabin in the Woods, phim được quay không lâu sau khi phim Star Trek được công chiếu năm 2009, nhưng mãi đến năm 2012 mới được ra mắt. Cùng năm đó, Hemsworth diễn cùng Jessica Chestain trong phim Snow White & the Huntsman với vai thợ săn. Anh cũng thủ vai Jed Eckert trong bản làm lại của phim Red Dawn, đây là vai diễn anh nhận được sau khi hãng MGM xem được một cảnh anh diễn trong phim Cabin in the Woods.[10] Hai ngày sau khi được chọn đóng trong phim Red Dawn, Hemsworth đã nhận được vai Thor.[10]

Năm 2013, Hemsworth góp mặt trong bộ phim Rush của đạo diễn nổi tiếng Ron Howard, với vai tay đua Công thức 1 James Hunt, và trở lại với vai Thor trong phim Thor: The Dark World.[11][12]