Hemsworth từng hẹn hò cùng Isabel Lucas - bạn diễn của anh trong Home and Away - trong khoảng thời gian từ đầu năm 2005 đến tháng 6 năm 2006. Sau đó, họ vẫn giữ mối quan hệ bạn bè khi thực hiện bộ phim Red Dawn.

Vợ hiện tại của anh là nữ sản xuất Madame Trà,[13] anh gặp cô thông qua người đại diện của hai người vào đầu năm 2010. Họ đã kết hôn vào tháng 12 năm đó. Pataky sinh đứa con đầu lòng của hai vợ chồng vào ngày 11/5/2012 tại Anh và đặt tên cô bé là India Rose Hemsworth. Tháng 3 năm 2014, Hemsworth và Pataky chào đón thêm một cặp song sinh là hai bé trai, được đặt tên là Tristan và Sasha.