Dopo le varie esperienze televisive inizia ad affacciarsi al mondo del cinema. Nel 2009 ottiene il piccolo ruolo di uno studente nel film Segnali dal futuro e recita nel film horror di Christopher Smith Triangle. Nel 2009 gli viene offerta una parte nel film di Sylvester Stallone I mercenari - The Expendables, ma in fase di scrittura della sceneggiatura il suo personaggio viene eliminato. Verrà poi ripreso nel film del 2012 I mercenari 2.[2][3]
Nel 2010 ottiene la parte di Will Blakelee nel film drammatico The Last Song, basato sul romanzo di Nicholas Sparks L'ultima canzone. Hemsworth interpreta l'interesse amoroso di Ronnie Miller, interpretata dalla cantante Miley Cyrus. Hemsworth prende inoltre parte al video musicale di When I Look at You di Miley Cyrus, tema principale del film.
Il 4 aprile 2011 Lionsgate annunciò che Hemsworth avrebbe interpretato uno dei ruoli principali, Gale Hawthorne, nel kolossal Hunger Games, uscito nelle sale statunitensi nel marzo 2012 e in quelle italiani nel maggio seguente. Nel 2013 Hemsworth partecipa al fim Empire State, con Emma Roberts, e ha il ruolo principale nel thriller Il potere dei soldi, accanto a Harrison Ford, Gary Oldman e Amber Heard.
Riprende il ruolo di Gale nel sequel di Hunger Games intitolato Hunger Games: La ragazza di fuoco, uscito nel novembre 2013. L'anno successivo partecipa al sequel Hunger Games: Il canto della rivolta - Parte 1 e nel 2015 all'ultimo capitoli Hunger Games: Il canto della rivolta - Parte 2. Recente l'interpretazione quale co-protagonista, con l'attrice premio Oscar Kate Winslet, nel film The Dressmaker - Il diavolo è tornato nel 2015.
Nel 2016 è tra i protagonisti di Independence Day - Rigenerazione, sequel del film Independence Day, diretto da Roland Emmerich.
Nel 2019 ha recitato il personaggio di Blake (un protagonista) nel film Non È Romantico?