Hemsworth s-a născut în 1990 la Melbourne, Australia fiind cel mai mic dintre cei trei copii ai lui Craig și Leonie Hemsworth. Când Hemsworth avea 8 ani el și familia s-au mutat la Phillip Island. Hemsworth spune că a petrecut mult timp acolo facand surfing cu frații săi.
Inainte de a deveni actor, Hemsworth a avut un job sezonier constand in montarea podelelor. Meseria de actor nu i-a suras pana cand nu s-a dus la liceu si a decis sa urmeze pasii fratilor sai mai mari, de asemenea actori. In 2007, Liam a inceput filmarile pentru telenovela Neighbours, in care aparuse si fratele sau mai mare Luke. In 2008, Liam a jucat in The Elephant Princess, in rolul lui Marcus, un atragator chitarist. Acesta a fost unul dintre cele mai importante roluri ale sale.
A avut totodata o aparitie meteorica in filmul Knowing alaturi de Nicolas Cage. In 2009, Liam trebuia sa joace alaturi de Sylvester Stallone in filmul regizat de acesta, The Expendables, dar pana la urma personajul lui Liam a fost sters din scenariu. In acelasi an, regizorul Kenneth Branagh i-a propus acestuia sa apara in filmul Thor ce se va lansa in 2011. Din pacate Liam a pierdut rolul in fata fratelui sau mai mare Chris. Cu toate acestea, norocul i-a suras pana la urma si lui Liam. Desi de doar trei saptamani in Los Angeles, fara un agent de publicitate si cu foarte multe roluri refuzate de catre regizori, Liam a primit rolul lui William Blakely in filmul The Last Song alaturi de Miley Cyrus, ecranizare dupa romanul omonim al lui Nicholas Sparks.
The Last Song a fost un fel de rampa de lansare pentru Liam, el de asemenea aparand in videoclipul lui Miley la piesa When I look at you, cantec ce apare pe coloana sonora a filmului.
Desi ambii Liam si Miley au negat mereu o asa zisa relatie dintre ei, pana la urma in martie 2010 acestia au declarat ca se intalneau in secret de mai bine de 10 luni. Cei doi s-au despărțit în august 2010.
Pe plan familial, mama lui, Leonie (născută van Os), a fost profesoară de engleză, iar tatăl lui, Craig Hemsworth, a fost consilier de servicii sociale. Are doi frați mai mari, Chris Hemsworth și Luke Hemsworth, care sunt și ei actori. Bunicul lor matern este un imigrant olandez, iar ceilalți strămoși ai lor sunt englezi, irlandezi, scoțieni și germani. Liam a participat la prima sa audiție la vârsta de șaisprezece ani. Și-a început cariera în 2007, cu apariții în show-urile Home and Away și Fiicele lui McLeod. În martie 2009, Hemsworth s-a mutat în Statele Unite ale Americii pentru a-și continua cariera de actor. El și fratele său Chris au stat mai întâi în casa de oaspeți a managerului lui Chris, William Ward, înainte de a-și închiria propriul apartament din Los Angeles. Hemsworth a avut mai târziu roluri în serialul de televiziune Satisfaction și a jucat în filmul britanic Triangle. De asemenea, a mai jucat în Love and Honor (2011), The Expendables 2 (2012), Northern Lights (2013), Empire State (2013), Paranoia (2013), Arabian Nights (2014), rolul Gale Hawthorne, în trei sequel-uri The Hunger Games: The Hunger Games: Catching Fire (2013), The Hunger Games: Mockingjay-Part 1 (2014), The Hunger Games: Mockingjay-Part 2 (2015), The Dressmaker (2015), Independence Day: Resurgence (2016). În 2019, după o absență de trei ani, a jucat în comedia romantică Isn't It Romantic, în filmul de acțiune Killerman. Hemsworth a apărut în videoclipul Coder Weather al trupei Zac Brown. În 2020, el a jucat în serialul de televiziune, Most Dangerous Game; în 2022, a jucat în filmul Lonely Planet, în sezonul 4 din The Witcher. În plan personal, Hemsworth este ambasadorul Australian Childhood Foundation. El a fost vegan. În 2020, a fost în spital pentru pietre la rinichi. Relația cu Miley Cyrus: au fost logodiți din 2012 până în 2013, din nou în 2016, la Los Angeles; în 2018, le-a ars casa din Malibu. Hemsworth și Cyrus s-au căsătorit pe 23 decembrie 2018 la casa lor din Nashville, Tennessee. La 10 august 2019, Cyrus și-a anunțat separarea. Unsprezece zile mai târziu, Hemsworth a cerut divorțul, invocând diferențe ireconciliabile. La 28 ianuarie 2020, a fost anunțat că divorțul lor a fost finalizat. Ulterior, Hemsworth a început o relație cu modelul australian Gabriella Brooks.
