Ses rêves de carrière sportive (en athlétisme) avortés par une blessure au genou, Christopher Bayemi suit une formation théâtrale et se produit rapidement sur scène dans de nombreux spectacles. Arthur Jugnot le dirige notamment dans la pièce Pour 100 briques t'as plus rien maintenant. Conquis par son talent pour la comédie, Grégoire Ludig et David Marsais l'accueillent dans leur Folle soirée du Palmashow, offrant une succession de sketchs, parodies et fausses pubs. Alexis Michalik le choisit à son tour pour intégrer la troupe d'Intra Muros, sur un metteur en scène sur le retour contraint de dispenser son premier cours de théâtre.
Pendant trop longtemps, Christopher Bayemi doit se contenter de rôles de second plan. Son visage est pourtant familier des téléspectateurs grâce aux multiples diffusions de la publicité de la marque Ikea, avec un voisin qui monte chez sa voisine se plaindre du bruit, laquelle finit par l'inviter à dîner. Le public peut l'apercevoir en mai 2019 aux côtés de Juliette Katz dans Moi, grosse, un téléfilm de France 2 abordant le délicat sujet de la grossophobie.
A compter de mars 2020, le jeune homme participe à plusieurs épisodes de Cassandre, la série policière de France 3 avec Gwendoline Hamon en tête d'affiche. Il y joue Benjamin Batelier, l'un des stagiaires du commissariat. Emilie Gavois-Kahn, l'interprète du major Sidonie Montferrat, avec laquelle son personnage entretient une relation, quitte la série pour rejoindre la nouvelle saison des Petits meurtres d'Agatha Christie. Les scénaristes décident dès lors de se séparer du couple en leur offrant une jolie sortie en avril 2021 : un mariage suivi d'une mutation à Fort-de-France.
Patient de Claire Keim dans la saison 2 d'Infidèle, puis médecin légiste dans HPI, l'acteur gagne la confiance de TF1 qui lui confie le rôle principal de Luther, l'adaptation de la célèbre série britannique. Dans la version originale, le rôle a valu à Idris Elba la notoriété et un prestigieux Golden Globe. Capitaine de police au sein de la brigade criminelle, Théo Luther est un flic dépressif qui a tendance à franchir les limites. Confronté aux pires assassins du tout Paris, il trouve une certaine attention auprès d'une des psychopathes qu'il essaie de coincer (Chloé Jouannet), laquelle semble le comprendre mieux que personne.
Cette même année, l'acteur donne la réplique à Camille Lou dans J'ai menti, une fiction de France 3 sur une femme hantée par un serial killer.
