Sam Worthington se graduó en el prestigioso Instituto Nacional de Arte Dramático (NIDA) de Sydney. Debutó en el cine con la película australiana, “Bootmen”. Su interpretación le valió en 2000 una nominación al premio del Australian Film Institute (AFI) a la Mejor Interpretación de un Actor en un Papel Protagonista. Otros créditos cinematográficos australianos incluyen "Juego sucio" con John Goodman, Toni Collette y Sam Neill; “El desquite (Gettin' Square)” con David Wenham; y la adaptación contemporánea que hizo Geoffrey Wright de “Macbeth”, en la que encarnó al protagonista. Fue la interpretación en forma de capas que hizo Worthington en "Somersault" de Cate Shortland, que fue un éxito de crítica y público, lo que lo distinguió de sus compañeros. Obtuvo un premio AFI al Mejor Actor en un Papel Protagonista y una nominación al Film Critics Circle of Australia (FCCA) al Mejor Actor Masculino en 2004.

Con papeles menores en películas internacionales como "La guerra de Hart" y "El gran rescate" en su haber, y después de una extensa búsqueda, Worthington fue elegido por James Cameron para protagonizar “Avatar”, la primera película narrativa de Cameron desde "Titanic", su éxito de taquilla ganador del Oscar® en 1997. Trece años después de su estreno, “Avatar" sigue siendo la película más taquillera de todos los tiempos con más de 2.800 millones de dólares de recaudación por taquilla en todo el mundo. La película recibió varias nominaciones a los Premios de la Academia® de 2010, incluyendo la de Mejor Película. La película ganó el Globo de Oro® a la Mejor Película – Drama.

Otros de sus trabajos en el cine son "Hasta el último hombre", "La cabaña", "Everest", "Cake", "La deuda", "Last Night", "Furia de Titanes", "Ira de Titanes" y “Terminator Salvation” con Christian Bale. Últimamente, ha protagonizado "Fractura" de Brad Anderson, la película nº1 de Netflix con 24 millón de vistas en su primera semana) y el western "El último hijo” con Colson Baker (también conocido como Ametralladora Kelly).

En televisión, Worthington recibió excelentes críticas por su interpretación repleta de matices en la miniserie “Manhunt: Unabomber” junto a Paul Bettany. Recientemente coprotagonizó la popular miniserie de FX “Por mandato del cielo”, de la que Dustin Lance Black, Ron Howard, Brian Grazer y Jason Bateman son los productores ejecutivos, entre otros.

Sus próximos proyectos son la película de suspense y atracos de Netflix, "Lift", junto a Kevin Hart y la cinta de Stefon Bristol, "Breathe", con Jennifer Hudson y Common. Worthington empezó hace poco el rodaje de la epopeya histórica de Kevin Costner, “Horizon”, que estrenará Warner Bros./New Line.