Sinatra 1915 yılında Hoboken, New Jersey’de doğdu. Şarkı söylemeye yaklaşık olarak 1936 yılında başladı. 1937’de kendi kurduğu Hoboken Four adlı toplulukla amatör bir yarışmada birinci oldu. 1939’da bir kafede çalıştığı sırada Harry James’in ilgisini çekerek onun topluluğuna katıldı. Aynı yılın temmuz ayında bu topluluğun eşliğinde söylediği “From the Bottom of My Heart” şarkısıyla ilk plağını yaptı. 1940-1942 yılları arasında Tommy Dorsey Orkestrası’yla çalıştı. 31 Aralık 1942’de New York arasında “Your Hit Parade” adlı radyo programında solo şarkıcı olarak söylediği şarkılarla ülke çapında ünlendi.

Sinatra sinemadaki ilk önemli rolünü “Higher and Higher” filminde oynadı. 1940’lar boyunca çeşitli müzikal filmlerde rol aldı. 1953’te From Here Eternity’de şarkı söylemeden canlandırdığı Angelo Maggio rolüyle en iyi yardımcı oyuncu Oscar’ını kazandı. Bu başarısının ardından çeşitli rolleri canlandıran bir oyuncu olarak sinemadaki konumunu pekiştirdi.ilerlemiş yaşına rağmen 1990’lı yıllarda hala konser vermekteydi. 1998 yılında ise ABD’nin Los Angeles şehrinde vefat etti.

Toplam 4 kez evlenen Sinatra, ilk evliliğini 1939'da Nancy Barbato ile yaptı. Bu evlilikten Nancy (d. 1940), Frank Jr. (1944-2016) ve Tina (d. 1948) adında üç çocuğu olan Sinatra'nın ilk evliliği 1951'de sonlandı. İkinci evliliğini ünlü sinema yıldızı Ava Gardner ile 1951-57 arasında yaptı. Üçüncü evliliği bir başka sinema oyuncusu Mia Farrow ile oldu ve 1966-68 arasında devam etti. Son evliliği ise model Barbara Marx ile oldu ve  1976'dan ölümüne dek sürdü.