Dopo essersi diplomato alla prestigiosa National Institute of Dramatic Art (NIDA) di Sydney, nel 1998, ha continuato nel teatro con la produzione di “Judas Kiss”, diretto da Neil Armfield, per la Company B alla Belvoir Street Theater.
Worthington ha poi interpretato ruoli minori in film internazionali come Hart’s War e The Great Raid e Rogue, recitando come antagonista di Daniel Craig nel ruolo di James Bond in Casino Royale. Anche se in quel caso non ha ottenuto il ruolo più ambito, è stata un’ottima esperienza per l´anno successivo. Dopo un casting estenuante, James Cameron lo ha infatti scelto come protagonista di Avatar - il primo film narrativo di Cameron dopo il blockbuster, vincitore di molti Oscar nel 1997, Titanic. Attualmente Avatar detiene il record come film di maggiore incasso di tutti i tempi, 2.74 miliardi di dollari. Ha anche ricevuto diverse nomination per gli Oscar del 2010, fra cui Migliore Film e Migliore Regia per James Cameron, che nel 2010 ha vinto il premio Golden Globe Award come Miglior Film Drammatico e Miglior Regia. James Cameron ha anche ricevuto una nomination nel 2010 dalla DGA Feature Film Award per Avatar.
Ultimamente Worthington ha interpretato Perseus, il protagonista del film della Warner Bros, Scontro tra Titani, diretto da Louis LeTerrier, che ha incassato 491 milioni di dollari in tutto il mondo.
Worthington ha recentemente finito le riprese del film diretto da Ami Canaan Mann The Fields, che uscirà nel 2012.
Ha lavorato con Christian Bale nell´attesissimo lavoro della Warner Bros, il prequel del Terminator franchise, Terminator Salvation. Il film ha incassato 370 milioni di dollari in tutto il mondo.
Oltre a due film franchise, Worthington ha da poco finito le riprese anche di due lavori drammatici: Last Night, con Keira Knightley e The Debt, con Helen Mirren. Il primo racconta di una coppia, marito e moglie, la cui fedeltà viene messa a dura prova nello spazio di 36 ore. L’altro, invece, è stato diretto da John Madden ed è una storia ambientata nel secondo dopoguerra durante il quale tre agenti del Mossad devono confrontarsi dopo tanti anni, con il loro scandaloso passato.
Di formazione teatrale, Worthington ha continuato a lavorare costantemente sia con il cinema che con la televisione. Ha debuttato nel cinema con il film Australiano, Bootmen, dove interpreta il meditabondo fratello maggiore di Adam Garcia. La sua interpretazione gli ha portato, nel 2000, una nomination da parte dell’Australian Film Institute (AFI) come Migliore Attore Protagonista. Altri film australiani sono Dirty Deeds, con John Goodman, Toni Collette e Sam Neill; Getting’ Squame, con David Wenham; e Romper Stomper, di Geoffrey Wright, un adattamento contemporaneo di “Macbeth”, dove interpreta il protagonista.
A distinguere Worthington dai suoi colleghi è stata la sua interpretazione nel film, grande successo di critica e pubblico, di Cate Shorland, Somersault. Ha ricevuto un premio AFI come Migliore Attore Protagonista ed una nomination come Migliore Attore dal Film Critics Circle of Australia (FCCA), come Migliore Attore nel 2004. Il film è stato l’“asso piglia tutto” alla premiazione degli AFI Award, vincendo in tutte e 13 le categorie cinematografiche per la prima volta nella storia di questa premiazione.
Fra i lavori interpretati da Worthington ci sono alcune delle produzioni televisive più acclamate d´Australia come Love My way, che ha ricevuto un premio AFI per la Migliore Serie Drammatica televisiva e The Surgeon, che ha ricevuto una nomination dall’ AFI per migliore lavoro televisivo o miniserie. Ha inoltre lavorato in Delivery Man, uno degli episodi di Two Twisted, una serie antologia tipo Twilight Zone, prodotta da Bryan Brown.