Сэмюэль Генри Джей Уортингтон родился 2 августа 1976 года в Годалминге, Англия, но почти сразу после его рождения семья переехала в Австралию. В 17 лет он бросил школу и стал посещать колледж искусств, но отец фактически выгнал его в Кэрнс (город в Австралии), чтобы он нашел «свой путь домой». Уортингтон работал на стройке, пока в 19 лет не прошел конкурс в Национальный институт драматического искусства.

В 2000 году Уортингтон дебютировал в австралийском фильме «Каблуки». Он сыграл главную роль и был номинирован австралийским киноинститутом. В том же году он был приглашенной звездой в сериалах: «Военные следователи», «Водяные крысы» и «Синие Хилеры».

В 2002 и 2003 годах Уортингтон играл в австралийских фильмах и сериалах, в том числе «Грязные делишки», «Я завязал» и «Война Харта».

В 2009 году Уортингтон снялся в боевике «Терминатор: Да придёт спаситель» и был приглашен на главную роль в фильме Джеймса Кэмерона «Аватар».

В 2010 году Уортингтон сыграл Персея в ремейке «Битвы титанов», где компанию ему составили Джемма Артертон, Рэйф Файнс и Лиам Нисон.

В том же 2010 году с его участием вышли картины «Любовь и предательство» и «Расплата».

В 2011 году Сэм вместе с Джеффри Дин Морганом, Джессикой Честейн и Хлоей Грейс Морец снялся в триллере «Поля».

В 2012 году Сэм вновь исполнил роль Персея в картине «Гнев Титанов», а также появился в картинах «На грани» и «На гребне».

В 2013 году Уортингтон снялся с Арнольдом Шварценеггером в картине «Саботаж».

В том же 2013 году Сэм приступил к съемкам в фильме «Похищение Фредди Хайнекена» (2014), одну из главных ролей в котором получил Энтони Хопкинс.

Когда Уортингтону было около тридцати лет, он продал все свое имущество и оставил себе только 2000 долларов. На эти деньги он купил автомобиль и некоторое время жил в нем.