Sam Worthington jest absolwentem National Institute of Dramatic Art w Sydney. Jego pierwsza profesjonalna rola w spektaklu „Judas Kiss” w reżyserii Neila Armfielda została dobrze przyjęta przez krytykę. Wkrótce po tym wydarzeniu aktor dostał angaż w kilku odcinkach znanych australijskich seriali: „Szczury wodne" i „Backburner" oraz w setnym odcinku amerykańskiej produkcji „JAG - Wojskowe Biuro Śledcze". Na dużym ekranie zadebiutował w 2000 roku w filmie „Faceci w butach”, a za swój występ otrzymał nominację do Australian Film Institute Award. Po krótkim epizodzie w „Wojnie Harta” (2002) i nieco większej roli w kryminale „Szemrany interes” (2002) z Toni Colette i Johnem Goodmanem pojawił się w roli głównego bohatera w kameralnym filmie sensacyjnym „Wyrównanie rachunków” (2003). W roku 2004 obok Abbie Cornish zagrał w „Salcie”, za które został wyróżniony wcześniej wspomnianą nagrodą dla najlepszego aktora pierwszoplanowego (film zwyciężył w 13 kategoriach - wszystkich, w których został nominowany). W tym samym roku wyreżyserował swój pierwszy film - krótkometrażowe „Enzo”. Rok 2006 zaowocował kolejnym obrazem – Worthington zagrał tytułowego bohatera w uwspółcześnionej wersji „Makbeta”. W 2007 roku aktor wygrał casting do pierwszego po wysokobudżetowym „Titanicu” filmu Jamesa Camerona – „Avatar”. Dzięki rekomendacji Camerona pojawił się również na planie „Terminatora: Ocalenie” (2009) obok takich gwiazd amerykańskiego kina jak Christian Bale i Helena Bonham Carter. Oba filmy zapewniły mu uznanie i sławę na arenie kina międzynarodowego.