Abrams docenił przejęcie tej roli przez Hemswortha. Wystąpił potem w dreszczowcu Wyspa strachu (A Perfect Getaway, 2009), horrorze Dom w głębi lasu (The Cabin in the Woods, 2011), produkowanym przez Jossa Whedona, i remake’u filmu Czerwony świt (Red Dawn, 2012).
W niezależnym dreszczowcu kryminalnym Gotówka (Ca$h, 2010) u boku Seana Beana przyjął rolę Sama Phelana, młodego człowieka z ekonomicznymi problemami. W wywiadach zza kulis, reżyser filmu, Stephen Milburn Anderson stwierdził, że Hemsworth był w Stanach Zjednoczonych jedynie przez sześć tygodni, kiedy wziął udział w przesłuchaniu do roli. W listopadzie 2010 czasopismo „The Hollywood Reporter” nazwało Hemswortha jednym z młodych aktorów płci męskiej, którzy są „pchani” do przejęcia Hollywood jako nowi na „A-List”. Redakcja MTV Networks NextMovie.com nazwała go jedną z „nowych gwiazd do obejrzenia w 2011”. mały|upright|Hemsworth na San Diego Comic-Con International (2014) Przełomem w jego hollywoodzkiej karierze stała się rola superbohatera Thora w filmowej adaptacji komiksu Marvel o tym samym tytule Thor (2011). Początkowo, jego brat, Liam, dotarł do finałowej czwórki kandydatów do roli, a Chris nie wpisał się na listę, ale dostał tę rolę, kiedy reżyser Kenneth Branagh postanowił ponownie ocenić wcześniejszych kandydatów.