Несмотря на то, что Сэм родился в Англии, вырос и живет в настоящее время он в Австралии. Актерскому делу Уортингтон обучался в Австралийском Национальном институте драматического искусства в Сиднее. До 2006 года был занят съемками большей частью только в телесериалах Австралии. Но еще с 2002 года актер уже снимался в ролях второго плана в известных голливудских фильмах, таких как «Война Харта», а так же «Великий рейд». В конце 2006 года был приглашен на пробы на роль Джеймса Бонда в фильме "Казино "Рояль", но не прошел кастинг. В 2007 году Сэм после многочисленных проб был приглашен на роль Джейка Салли в мегапопулярном фильме известного режиссера Дж. Кэмерона «Аватар», каковая и принесла ему после выхода фильма на экраны мировую известность. По протекции того же Кэмерона был принят на роль киборга Маркуса Райта в не менее знаменитом (хоть и не таком кассовом как Аватар) фильме «Терминатор: Да придёт спаситель», а также был выбран на роль героя древнегреческих мифов - Персея в недавно вышедшем на экраны блокбастере «Битва титанов» (2010).