همسورث اولین نقش سینمایی خود را در فیلم "پیشتازان فضا" ایفا کرد. او سپس در فیلم‌های "یک فرار بی‌نقص" (۲۰۰۹) و "سفیدبرفی و شکارچی" (۲۰۱۲) بازی کرد. نقش‌آفرینی همسورث در نقش "ثور" در فیلم "ثور" (۲۰۱۱) بود که او را به شهرت جهانی رساند. او از آن زمان تاکنون در چندین فیلم دیگر از دنیای سینمایی مارول از جمله "انتقام‌جویان" (۲۰۱۲)، "ثور: دنیای تاریک" (۲۰۱۳)، "انتقام‌جویان: عصر اولتران" (۲۰۱۵)، "ثور: رگناروک" (۲۰۱۷)، "انتقام‌جویان: جنگ بی‌نهایت" (۲۰۱۸) و "انتقام‌جویان: پایان بازی" (۲۰۱۹) به ایفای این نقش پرداخته است.