2004年，克里斯为《聚散离合》中的角色Robbie Hunter试镜但最终失败，但他意外地得到扮演同剧中Kim Hyde的机会。之后他移居悉尼，加入剧组。克里斯还参加了澳大利亚Seven电视台的明星真人秀节目《Dancing with the Stars》。他获得过两次洛杰奖提名，并于2005年因《聚散离合》中的角色拿下“最受欢迎新人奖”。他于2007年7月3日离开《聚散离合》剧组。2008年，克里斯来到美国后拍摄的第一部电影是肖恩·宾主演的小成本惊悚片《现金》 。之后又在2009年的科幻片《星际迷航》中扮演男主角柯克的父亲乔治，还与米拉·乔沃维奇和蒂莫西·奥利芬特主演了惊悚片《一次完美的逃亡》。在2011年的漫画英雄电影《雷神》中，克里斯·海姆斯沃斯担任男主角扮演“雷神托尔”，娜塔莉·波特曼在片中则扮演托尔在人间的爱人。同年，克里斯出演由环球影业出品的《白雪公主与猎人》，将在片中与白雪公主的扮演者克里斯汀·斯图尔特演对手戏。在格林童话原著中，猎人这个角色被邪恶的皇后派去杀白雪公主，但是在这部改编影片中，猎人将是白雪公主的保护者。 2012年，由克里斯出演的《复仇者联盟》上映。影片使他获得第22届MTV电影奖最佳打斗场面这一奖项。2013年，克里斯出演了朗·霍华德执导的《极速风流》，该片为前F1赛车手詹姆斯·亨特James Hunt的传记片，讲述了对手尼基·朗达和詹姆斯·亨特在赛道上相互竞争的故事 。同年，克里斯出演由艾伦·泰勒执导的《雷神2：黑暗世界》，影片剧情承接《复仇者联盟》展开 。同年，克里斯拍摄迈克尔·曼执导的《骇客交锋》扮演男主角 。同年，克里斯还与朗·霍华德再合作拍摄《大洋深处》，出演捕鲸船的大副，影片根据内森尼尔·菲尔布里克（Nathaniel Philbrick）的同名小说改编，取材自埃塞克斯捕鲸船所经历的真实的海难 。2015年4月12日，第24届MTV电影奖在洛杉矶揭晓，克里斯作为颁奖嘉宾亮相 。5月1日，主演的《复仇者联盟2：奥创纪元》北美上映 。同年客串出演《假期历险记》 。2016年4月22日，主演的《猎神：冬日之战》于北美/中国大陆同步上映 。同年主演《超能敢死队》 。7月，确认出演《星际迷航4》 。主演的《雷神3：诸神的黄昏》也在澳大利亚昆士兰州正式开拍 。