F. Sinatras kinokarjera sākās 20. gs. 40. gados un viņš filmējies vairāk nekā 60 dažāda mēroga lomās dramatiskās filmās, komēdijās, mūziklos, vesternos un detektīvos. Par lomu filmā “No šejienes līdz mūžībai” (From Here to Eternity, režisors Freds Zinnemans Fred Zinnemann, 1953, ASV) viņš saņēma Amerikas Kinoakadēmijas (Academy of Motion Picture Arts and Sciences, AMPAS) balvu "Oskars" (Oscar) kategorijā Labākais otrā plāna lomas tēlojums, bet sniegums filmā “Draugs Džoijs” (Pal Joey, režisors Džordžs Sidnijs, George Sidney, 1957, ASV) izpelnījās Zelta Globusa balvu nominācijā Labākais spēlfilmas, mūzikla vai komēdijas aktieris; ar "Oskara" balvu novērtētas arī viņa izpildītās dziesmas filmās “Mežonīgais džokers” (The Joker is Wild, režisors Čārlzs Vidors, Charles Vidor, 1957, ASV) un “Caurums galvā” (A Hole in the Head, režisors Frenks Kapra, Frank Capra, 1959, ASV).

Freds Zinnemans (centrā) dod norādījumus aktieriem Montgomerijam Kliftam (Montgomery Clift) un Frenkam Sinatram filmas "No šejienes līdz mūžībai" uzņemšanas laikā. 1953. gads.
Avots: John Springer Collection/CORBIS/Corbis via Getty Images, 526897854.
Citas ievērojamas spēlfilmas ar F. Sinatras piedalīšanos: “Pacelt enkurus” (Anchors Aweigh, režisors Dž. Sidnijs, 1945, ASV); “Pilsētā” (On the Town, režisors Džīns Kellijs, Gene Kelly, un Stenlijs Donens, Stanley Donen, 1949, ASV); “Sadenlija” (Suddenly, režisors Luiss Alens, Lewis Allen, 1954, ASV); “Ne kā svešinieks” (Not as a Stranger, režisors Stenlijs Kreimers, Stanley Kramer, 1955, ASV); “Cilvēks ar zelta roku” (The Man with the Golden Arm, režisors Oto Premindžers, Otto Preminger, 1955, ASV); “Augstākā sabiedrība” (High Society, režisors Čārlzs Volterss, Charles Walters, 1956, ASV); “Kankāns” (Can-Can, režisors Volters Langs, Walter Lang, 1960, ASV); “Oušena banda” (Ocean’s 11, režisors Luiss Mailstouns, Lewis Milestone, 1960, ASV); “Mandžūrijas kandidāts” (The Manchurian Candidate, režisors Džons Frankenheimers, John Frankenheimer, 1962, ASV); “Fon Raiena ekspresis” (Von Ryan’s Express, režisors Marks Robsons, Mark Robson, 1965, ASV); “Tonijs Roma” (Tony Rome, režisors Gordons Daglass, Gordon Douglas, 1967, ASV); “Pirmais nāves grēks” (The First Deadly Sin, režisors Braiens Dž. Hatons, Brian G. Hutton, 1980, ASV). F. Sinatra arī producējis vairākas spēlfilmas un režisējis pretkara drāmu “Tikai drosmīgie” (None but the Brave, 1965, ASV un Japāna).