В 2005-2008 годах Крис Хемсворт встречался с актрисой Изабель Лукас.

26 декабря 2010 года Крис женился на актрисе Эльзе Патаки. 11 мая 2012 года у них родилась дочь Индия Роуз.

В ноябре 2013 года стало известно, что Крис и Эльза ждут второго ребенка.

В начале января 2014 года пара объявила, что ждет близнецов.

20 марта 2014 года Крис второй раз стал отцом. Малыши Тристан и Саша появились на свет в клинике Лос -Анджелеса.