Лиам Хемсворт родился 13 января 1990 года в Мельбурне, Австралия. Он младший из трех сыновей Крейга и Леони Хемсворт. Старшие братья Лиама, Крис Хемсворт и Люк Хемсворт, также стали актёрами.

Когда Хемсворту было 8 лет, он и его семья переехали на маленький остров Филипп. Хемсворт говорит, что он провел большую часть своего времени, занимаясь серфингом вместе со своими братьями. Одноклассница Хемсворта Лора Гриффин говорит о нем : «Все девушки его любили. Он был популярен, немного шутник и веселил меня».

Гриффин утверждает, что она и Лиам встречались. В марте 2009 года Хемсворт переехал в Соединенные Штаты, чтобы продолжить свою карьеру там. Он и его брат Крис остались в гостевом доме агента Криса Уильяма Ворда, прежде, чем арендовать свою собственную квартиру в Лос-Анджелесе, где они проживают в настоящее время.

Лиам стал актером в средней школе. Он прошел свое первое прослушивание в возрасте шестнадцати лет и начал свою карьеру в 2007 году, участвуя в шоу «Home and Away» и «Дочери МакЛеода}». 8 июля 2007 года Хемсворт начал сниматься в австралийском сериале «Соседи», где раньше снимался его брат Люк.

В 2008 году Хемсворт начал сниматься на телевидении в детском сериале «Принцесса и слон», играя Маркуса, привлекательный гитариста. Позже он получил роль в фильме «Треугольник». Также он сыграл небольшую роль в фильме «Knowing».

В 2009 году Хемсворт был выбран на роль противника Сильвестра Сталлоне в фильме Сталлоне 2010 года «The Expendables», но его персонажа убрали из сценария. Впоследствии он снялся в фильме «Последняя песня» по роману Николаса Спаркса с одноименным названием. Он играл возлюбленного героини Майли Сайрус.

Также он снялся в клипе Майли Сайрус на песню «When I look at you», который был записан 16 августа 2009 года. Было объявлено и впоследствии подтверждено, что Хемсворт будет сниматься в фильме «Арабские ночи», режиссером которого станет Чак Рассел. Хемсворту также была предложена роль Исаака Гилдея в фильме «Возврат», спортивной драме с Деннисом Куэйдом.

Хемсворт был номинирован на премию Nickelodeon Australian Kids' Choice Awards 2010. Он и Майли Сайрус победили номинации «Лучший поцелуй». В апреле 2011 года Лиам офицально вошел в актёрский состав экранизации бестселлера Сьюзен Коллинз «Голодные Игры». Ему досталась роль Гейла Хоторна, друга детства героини Дженнифер Лоуренс и ее бойфренда. Первая часть франшизы вышла в 2012 году.

В том же 2012 году он исполнил небольшую роль в фильме «Неудержимые 2», главные роли в котором исполнили Сильвестр Сталлоне и Джейсон Стэйтем, а также Лиаму достались главные роли в картинах «Молодые сердца» и «Эмпайр Стэйт».

В 2013 году, помимо выхода второй части «Голодных игр», Лиам получил роль в триллере «Паранойя», где также снялись Гари Олдман, Харрисон Форд и Эмбер Херд.

В 2014 году с участием Лиама вышло две картины - «Голодные игры: Сойка-пересмешница. Часть I» и «Кат Бэнк», в котором вместе с ним роли первого плана исполнили Билли Боб Торнтон, Тереза Палмер и Джон Малкович.

Также в 2014 году он приступил к съемкам в фильмах «Портниха» и «Голодные игры: Сойка-пересмешница. Часть II», выход которых запланирован на осень 2015 года.

Лиам — посол австралийского Фонда Детства. Он говорит об этом: «У меня были лучшие родители, какие только могут быть. Они работали в области защиты детей, и всегда давали мне поддержку. Мир — довольно пугающее место для детей, и важно, чтобы дом всегда был безопасным местом для них.» Когда его спросили, считает ли он себя героем для детей, он ответил: «Я не знаю, герой ли я для детей, но я хотел бы им быть. Я хотел бы быть хорошим примером.»