Enfant unique de la célèbre paire Frank Sinatra et Ava Gardner, il a grandi dans la lumière des projecteurs et a été éduqué à domicile par une gouvernante. Il a commencé sa carrière musicale en 1957 comme pianiste pour son père lors d'un concert au Carnegie Hall. Il a également joué de la batterie dans le big band de son père pendant quelques années.
En 1961, Frank Sinatra Jr. a été kidnappé par des ravisseurs alors qu'il se trouvait à l'aéroport de Detroit en attendant son père qui venait de terminer un concert. Il a été libéré après avoir passé quatre jours en captivité et la rançon a été payée, ce qui a valu aux ravisseurs 240 000 dollars (environ 1,7 million de dollars en 2021).
Après son échange de captivité, Frank Sinatra Jr. a poursuivi sa carrière musicale en tant que chanteur solo à partir de 1963. Il a sorti des albums et a travaillé dans le monde de la musique comme arrangeur et producteur.
En plus de sa carrière musicale, Frank Sinatra Jr. a également exercé des activités d'acteur et a joué dans quelques films. Parmi ses principaux rôles, on peut citer celui qu'il a tenu dans le film "Contract on Cherry Street" en 1977.
Dans les années 1980, Frank Sinatra Jr. a été diplômé de la Faculté de droit de l'Université d'État de New York à Buffalo et s'est consacré à la pratique du droit jusqu'en 2003. Il a également enseigné le droit à temps partiel dans différentes universités.
En plus de sa carrière musicale, Frank Sinatra Jr. est connu pour son activisme politique et son engagement dans plusieurs organisations caritatives. Il s'est impliqué dans la lutte contre l'alcoolisme et l'addiction à la drogue, ainsi que dans le soutien aux personnes atteintes de maladies neurologiques.
Frank Sinatra Jr. a épousé Nancy Barbato en 1976 et ensemble ils ont eu deux enfants : Frank Sinatra III (né en 1978) et A.J. Sinatra (né en 1981).
Frank Sinatra Jr. est décédé le 14 mars 2016 à Palm Springs, en Californie, à l'âge de 72 ans, des suites d'une crise cardiaque. Il a été enterré près de son père et de sa mère dans le cimetière de Cathedral City, également en Californie.