Après des études au National Institute of Dramatic Art de Sydney, Sam Worthington s'impose d'abord sur les planches dans Juda Kiss montée au Belvoir Street Theatre. Se distinguant également dans des séries télévisées (JAG), il obtient finalement son premier rôle au cinéma en 2000 dans Bootmen.
Ce n'est que trois années plus tard, dans le drame Somersault, que le jeune acteur attire pour de bon les projecteurs. Sa prestation lui vaut en effet le Prix du Meilleur Acteur par l'Australian Film Institute. Il obtient alors quelques seconds rôles dans des productions américaines tournés en Australie (The Great Raid, 2005)
Alors qu'il démontre également son envie de réaliser (le court-métrage Enzo), sa carrière d'acteur s'emballe. Un temps pressenti pour remplacer Pierce Brosnan dans le rôle de James Bond, il est remarqué par James Cameron qui le choisit pour tenir le rôle principal de son nouveau film de science-fiction : Avatar. Recommandé par le réalisateur, il tourne ensuite aux côtés de Christian Bale dans un autre blockbuster : Terminator Renaissance.
Véritable étoile montante d'Hollywood, il prêtera en 2010 ses traits à Persée dans le remake du Choc des titans dirigé par Louis Leterrier.
