Sinatra a également mené avec succès une carrière de comédien de cinéma, remportant le Academy Award pour le meilleur acteur de soutien pour sa performance dans From Here to Eternity, une nomination pour le meilleur acteur de l'Homme avec le Golden Arm, et acclamé par la critique pour son interprétation dans The Manchurian Candidate.
Il a joué dans des films comme The Manchurian Candidate, From Here to Eternity et The Man With The Golden Arm, il remporte un Oscar du meilleur acteur de soutien pour sa performance dans From Here To Eternity.