Samuel Henry J. Worthington wurde 1976 in Godalming, Surrey (England) geboren, zog aber bereits in früheren Jahren mit seiner Familie nach Australien. Dort wuchs er in Warnbro, einem Vorort unweit von Perth, Western Australia auf. Er besuchte das "John Curtin College of the Arts" in Fremantle und schlug sich nach der Schule unter anderem als Maurer durch. Danach studierte Worthington Schauspiel am "National Institute of Dramatic Art" in Sydney. Nach dem Abschluss 1988 übernahm der Brite verschiedene Theaterrollen in Sydney sowie Engagements in den TV-Serien "Water Rats" und "Blue Heelers".
Sein Kinodebüt gab Sam Worthington 2000 in "Bootmen", für den er eine "AFI Award"-Nominierung einheimste. Dadurch wurden Hollywoodagenten auf ihn aufmerksam. Er bekam daraufhin kleinere Nebenrollen in US-amerikanischen Produktionen, so unter anderem in "Das Tribunal" neben Bruce Willis und Colin Farrell. Weiterhin wirkte Sam Worthington in verschiedenen TV-Serien mit. Den tatsächlichen Gewinn eines "AFI Award" kann sich der Schauspieler seit 2004 in seinen Steckbrief schreiben: mit dem Independentstreifen "Somersault". Die Produktion räumte in allen 13 Kategorien ab und besiegelte Worthingtons Durchbruch in der Wahlheimat.
Der Durchbruch in Hollywood sollte dagegen noch auf sich warten lassen: 2007 wurde Sam Worthington für die Megaproduktion "Avatar" gecastet. Der Film kam Ende 2009 in die Kinos und avancierte zu einem der erfolgreichsten Filme aller Zeiten. Für diese Produktion erhielt Sam Worthington unter anderem zwei "MTV Movie Awards" sowie einen "Empire Award" in der Kategorie "Bester Schauspieler". Bis "Avatar" in die Kinos kam, wirkte Sam Worthington auch in "Terminator Salvation" und "The Debt" mit. Dem Science-Fiction- und Fantasy-Genre sollte er fortan treubleiben: Unter anderem übernahm er die Hauptrolle in "Kampf der Titanen" und der Fortsetzung "Zorn der Titanen".