Hermano mayor de los tambien actores Chris y Liam, Luke Hemsworth se formó en actuación en el Instituto Nacional de Arte Dramático. Comenzó su carrera apareciendo en varios anuncios y series de televisión australianas. En 2001 ganó notoriedad por su actuación en la telenovela australiana Neighbours: apareció por primera vez interpretando al futbolista Nathan Tyson, luego en el 2008 regresó a la serie pero esta vez interpretando a John Carter, un vendedor de coches. Principalmente actor de televisión, Hemsworth participó en numerosas series de televisión australiana. En 2012, protagonizó la miniserie de seis partes Bikie Wars: Brothers in Arms como Gregory "Shadow" Campbell. Interpretó el papel de Thor, en una obra de teatro dentro de Thor: Ragnarok (2017). En el 2016 comenzó a aumentar su popularidad cuando fue elegido para aparecer en la serie de HBO Westworld, interpretando al jefe de seguridad Ashley Stubbs.