È nato a Roseau, nel Minnesota, figlio di Robert Martin Hedlund e di Kristine Anne, nata Yanish. Il padre ha origini svedesi mentre la madre ha origini norvegesi e tedesche. All'età di 13 anni trasloca con la sua famiglia in Arizona, dove frequenta le scuole superiori e prende lezioni private di recitazione. In questo periodo inizia, come dichiarato in un'intervista condotta nel 2013, a prendere in considerazione la possibilità di intraprendere la carriera di attore date le sue svariate e imponenti doti. Preso il diploma si trasferisce a Los Angeles, dove si propone per moltissime audizioni e provini vari.
Nel 2012 recita in On the Road di Walter Salles, tratto dall'omonimo romanzo di Jack Kerouac, accanto a Kristen Stewart. Nel film interpreta Dean Moriarty, uno dei personaggi più memorabili di Kerouac. L'anno successivo viene scelto dalla casa di moda Yves Saint Laurent come nuovo testimonial della fragranza La Nuit de L'Homme.[2] Nel 2014 è nel cast di Unbroken film diretto da Angelina Jolie dove interpreta il ruolo di John Fitzgerald, e narra la storia di Louis "Louie" Zamperini durante la seconda guerra mandiale.[3]
Nel novembre 2015 è uscito il film Pan - Viaggio sull'isola che non c'è, la nuova versione live-action della fiaba del ragazzino in grado di volare e che si rifiutava di crescere, nei panni del giovane James Uncino, qui ancora amico con il protagonista. Nello stesso anno è protagonista di Mojave accanto ad Oscar Isaac. Nel 2016 viene scelto per far parte del cast del nuovo film di Ang Lee, Billy Lynn - Un giorno da eroe, ancora una volta vicino a Kristen Stewart. Nel 2017 recita in Mudbound di Dee Rees, accanto a Carey Mulligan. Il film è stato presentato al Sundance Film Festival 2017, dove Hedlund è stato lodato per il suo lavoro nel film.
Nel 2019 prende parte al film originale Netflix, Triple Frontier diretto dal regista J. C. Chandor, dove interpreta un soldato veterano, che insieme ad alcuni suoi ex-commilitoni, deruba un ricco narcotrafficante.
Vita privata
Dal 2011 al 2016 ha avuto una relazione con l'attrice Kirsten Dunst.[4][5] Dal 2019 al 2022 è stato legato all'attrice Emma Roberts,[4][6] con cui ha avuto un figlio nel 2020.[7]