Liam Hemsworth est le frère des acteurs Luke Hemsworth et Chris Hemsworth (Thor). Il commence sa carrière à l'âge de douze ans, suivant les traces de ses grands frères, tout d'abord en apparaissant dans des publicités, puis en faisant de la figuration, avant d'être engagé en 2007 pour apparaître dans la série australienne Neighbours (une série sur laquelle ses frères aussi avaient travaillé). En 2008, il est engagé pour travailler sur la série princesse Alex. Enfin, en 2009, il obtient un véritable rôle de premier plan avec Triangle, de Christopher Smith.
Cette même année 2009, il quitte l'Australie pour venir s'installer à Los Angeles. Il est alors engagé pour jouer dans The Last Song, aux côtés de Miley Cyrus, qui deviendra alors sa petite amie.