Filho de dois imigrantes italianos, foi casado com Nancy Barbato e posteriormente com as atrizes Ava Gardner e Mia Farrow, e com a socialite Barbara Marx, com quem terminou seus dias. Possui duas estrelas na Calçada da Fama, uma por seu trabalho na música e outra por seu trabalho na TV americana. É considerado um dos maiores intérpretes da música na década de 1950. Teve três filhos: Nancy Sinatra, Frank Sinatra Jr., e Tina Sinatra.
Sem nenhum treinamento formal, Sinatra desenvolveu estilo altamente sofisticado. Sua habilidade em criar uma longa e fluente linha musical sem pausas para respiração, sua manipulação de frases o fez chegar bem mais longe que o usual dos cantores populares.
Sinatra apareceu em mais de cinquenta filmes, entre eles: "Anchors Aweigh" (1945), "On The Town" (1949), "From Here To Eternity" (1953), com o qual ganhou o Oscar, "The Man With The Golden Arm" e "High Society" (ambos de 1956), "The Manchurian Candidate" (1962) e "The First Deadly Sin" (1980). Fez parte do chamado Rat Pack, grupo de artistas muito ativo entre meados da década de 1950 e 1960.
Fez um show histórico no Brasil, no Rio de Janeiro, em um Maracanã lotado em 26 de Janeiro de 1980, do qual tocou para impressionantes 170 mil pessoas, entrando para o livro Guiness de Recordes. Teve seu próprio show de TV durante vários anos e nos anos 90 continuou na ativa em concertos e gravações, onde lançou uma série de duetos, inclusive via satélite, utilizando recursos da mais moderna tecnologia.Seus principais sucessos são "Fly me to the moon", "My Way" e "New York, New York". Sinatra também cantou com o brasileiro Tom Jobim. Na oportunidade, "Girl from Ipanema" brindou o grande encontro.
Com a saúde debilitada, Sinatra parou de fazer shows com 80 anos, em 1995. No dia 14 de maio de 1998, Frank Sinatra morreu de um ataque cardíaco em Los Angeles, Califórnia. Encontra-se sepultado no Desert Memorial Park, Cathedral City, Condado de Riverside, Califórnia nos Estados Unidos.
Descendente de italianos, Sinatra teve seu nome diversas vezes ligado à máfia. Depois de sua morte, sua filha Tina fez revelações que ligavam Sinatra a esquemas de eleição do presidente Kennedy pelos chefões de Chicago.
