Dopo Terminator Salvation avrà un ruolo da protagonista nella pellicola di fantascienza di James Cameron in 3D Avatar, in uscita il 18 dicembre del 2009. Worthington è stato scelto per il film da Cameron, che peraltro ha anche diretto le prime due pellicole di Terminator. Inoltre, questo attore partecipa a due titoli indipendenti molto diversi tra loro: il dramma romantico Last Night, al fianco di Keira Knightley ed Eva Mendes; il thriller drammatico ambientato dopo la fine della seconda guerra mondiale The Debt, diretto da John Madden e con protagonista Helen Mirren. Attualmente, sta girando la pellicola epica-fantasy Clash of the Titans, interpretando il protagonista Perseo per la regia di Louis Leterrier.

Nato in Australia, Worthington si è diplomato alla prestigiosa National Institute of Dramatic Art (NIDA) di Sydney nel 1998. Dopo il diploma, ha continuato a recitare sul palcoscenico, in una produzione di Judas Kiss, diretto da Neil Armfield per la Company B al Belvoir Street Theatre.
Nel 2000, Worthington ha esordito al cinema con un ruolo importante nella pellicola australiana Bootmen, nei panni del fratello maggiore di Adam Garcia. La sua interpretazione gli ha fatto ottenere una candidatura agli Australian Film Institute (AFI) Award come miglior attore protagonista. In Australia, ha poi lavorato ai film Dirty Deeds, assieme a John Goodman, Toni Collette e Sam Neill, per cui ha ottenuto una nomination agli Film Critics Circle of Australia (FCCA) Award come miglior attore non protagonista; e a Gettin' Square, con David Wenham. Aveva anche una piccola parte nel dramma sulla seconda guerra mondiale Sotto corte marziale (Hart's War), con protagonista Bruce Willis.
Tuttavia, è stata la sua profonda interpretazione nell'acclamata e fortunata pellicola di Cate Shortland del 2004 Somersault che ha permesso a Worthington di farsi notare a livello internazionale, oltre a vincere un AFI Award come miglior attore protagonista e conquistare una seconda candidatura agli FCCA Award. La pellicola ha anche fatto piazza pulita ai AFI Award, vincendo in tutte le 13 categorie cinematografiche in cui era candidato, un evento mai accaduto nella storia del premio.
Nel 2006, Worthington ha incarnato il protagonista dell'adattamento contemporaneo, realizzato da Geoffrey Wright, del Macbeth di Shakespeare. E' anche apparso in The Great Raid di John Dahl e nell'horror thriller Rogue.
In televisione, aveva ruoli importanti in due progetti premiatissimi: Love My Way, che si è aggiudicato tre AFI Award come miglior serie drammatica; e The Surgeon, che è stato nominato a un AFI Award per il miglior film o miniserie televisiva. Ha anche partecipato all'episodio Delivery Man di Two Twisted, una serie antologica simile a Ai confini della realtà e prodotta da Bryan Brown.