Sam Worthington naît le 2 août 1976 à Godalming au Royaume-Uni mais passe sa jeunesse en Australie. Après des études d'art dramatique, le jeune comédien débute au théâtre avant de se distinguer dans des séries télévisées comme JAG. En 2000, il décroche son premier rôle au cinéma dans Bootmen. Trois ans plus tard, sa prestation dans Somersault lui vaut le prix du meilleur acteur décerné par l'Australian Film Institute. Une récompense qui lui vaut d'obtenir quelques seconds rôles dans des productions américaines tournées en Australie, à l'instar du Grand raid (2005).

Il enchaîne ensuite avec le rôle Macbeth dans le film éponyme de Geoffrey Wright avant de jouer dans Solitaire, excellent film de croco géant signé Greg McLean.
Soudain, tout s'emballe. En 2008, James Cameron le repère et lui confie le rôle principal du méga succès planétaire Avatar. Son rôle de Jake Sully lui permet de décrocher dans la foulée le premier rôle de Terminator Renaissance. En 2010, il incarne Persée dans le remake du Choc des Titans avant de prendre un virage plus intimiste avec Last Night. En 2012 retour au thriller avec Dos au mur. En mars de cette même année, on le verra dans la suite du Choc des Titans, La colère des Titans, réalisée par Jonathan Liebesman.