Самюъл Хенри Джон Уортингтън е роден на 2 август 1976 г. в Съри, Англия. Родителите му, Жана (Мартин) и Роналд Уортингтън, служител в електроцентрала, преместват семейството в Австралия, когато той е на шест месеца, и отглеждат него и сестра му Лусинда в Уорнбро, предградие на Пърт, Западна Австралия.
На 22-годишна възраст Уортингтън завършва NIDA (Австралийски национален институт за драматично изкуство) през 1998 г. Получава одобрението на критиката за образа на "Артър Уелсли" в първата си професионална роля в постановката на Belvoir Street Theatre "Целувката на Юда" (режисьор Нийл Армфийлд). След това започва работа в австралийската телевизия в предавания като "Water Rats" (1996 г.) и "Backburner", а след това и в 100-ия епизод на американското телевизионно предаване JAG (1995 г.) (Boomerang: Part 1).
Уортингтън дебютира в киното във високо оценения австралийски филм "Bootmen" (2000 г.) - филм за отряд "тапицерски кучета". Продължава с второстепенни роли във филмите "Войната на Харт" (2002) и "Въпрос на живот" (2001), преди да се снима в друга нашумяла австралийска драма - "Мръсни дела" (2002), с участието на Тони Колет и Джон Гудман.
През следващата година се снима в още един австралийски филм, срещу Дейвид Уенъм в Gettin' Square (2003). Режисьорът на филма, Джонатан Теплицки, първоначално тества актьори, които са с 8 години по-възрастни от 27-годишния тогава Уортингтън. Теплицки не е бил сигурен, че Сам "може убедително да изиграе твърдо момче и същевременно да има елементи на водещ мъж", но в крайна сметка Теплицки решава, че е "фантастичен", и кара "Дейвид да играе по-възрастния, малко по-уличен съучастник", като обявява, че "се получи".
Но едва през 2004 г. Сам получава своя голям шанс. Предложена му е главната роля в известната австралийска драма на Кейт Шортланд "Сомърсет" (2004 г.), в ролята на Аби Корниш. През 2004 г. филмът прави чиста равносметка на наградите на Австралийския филмов институт, като печели в 13 филмови категории - за първи път в историята на наградите. Уортингтън печели и наградата на AFI за най-добра мъжка роля.
Кариерата на Уортингтън стартира в международен план, когато получава ролята на Джейк Съли в "Аватар" (2009 г.) на Джеймс Камерън и ролята на Маркъс Райт, киборг, който помага на хората въпреки подозренията им към него в "Терминатор Спасение" (2009 г.). Скоро Уортингтън се превръща в нарицателно име и участва във високопрофилни филми: "Сблъсъкът на титаните" (2010 г.), "Дългът" (2010 г.), "Тексаските полета на убийствата" (2011 г.), "Човек на ръба" (2012 г.) и "Гневът на титаните" (2012 г.). Уортингтън озвучава и видеоигрите Call of Duty: Black Ops.
През 2010 г. Уортингтън основава продуцентска компания Full Clip Productions заедно с двама свои близки приятели Джон Шварц и Майкъл Шварц. Компанията си партнира със студио Radical, за да отпечата два графични романа Damaged и Patriots. - И.И. превод