Nancy Sandra Sinatra se je rodila 8. junija 1940 kot najstarejša hči Franka Sinatre in njegove prve žene Nancy. V Los Angelesu se je kot deklica učila igranja klavirja in plesa, hodila pa je tudi na učne ure dramske igre in glasovnega usposabljanja. Kariero je začela leta 1957 kot pevka in igralka v očetovi oddaji na ABC-ju, na začetku pa je žela sloves le v Evropi in na Japonskem.

Med slavne jo je izstrelila skladba These Boots Are Made for Walkin' iz leta 1966. V videospotu se je pojavila v škornjih z visoko peto in obkrožena z barvito oblečenimi plesalkami.

Leto pozneje so sledile pesem Sugar Town in duet s Frankom Sinatro Somethin' Stupid ter naslovna pesem filma o slavnem vohunu Jamesu Bondu You Only Live Twice. Znana je tudi njena priredba Cherine pesmi Bang Bang (My Baby Shot Me Down) iz leta 1966, ki jo je Quentin Tarantino uporabil v filmu Ubila bom Billa 1. Veliko njenih pesmi je napisal kantavtor Lee Hazlewood.

Med filmsko kariero v sredini 60. let prejšnjega stoletja je poleg Elvisa Presleyja nastopila v filmu Speedway (1968) in poleg Petra Fonde v filmu The Wild Angels (1966). Z očetom je zaigrala v Marriage on the Rocks (1965).

V zgodnjih 70. letih se je osredotočila na glasbeno kariero in izdala albume Nancy & Lee - Again (1971), Woman (1972) in This Is Nancy Sinatra (1973). Njen duet Did You Ever? s Hazlewoodom je leta 1971 zasedel drugo mesto na britanski lestvici singlov. V drugi polovici desetletja se je posvetila družinskemu življenju.

V snemalni studio se je vrnila leta 1981 in z Melom Tillisom posnela kantrialbum Mel & Nancy. Skladbi Texas Cowboy Night in Play Me or Trade Me sta dosegli 23. in 43. mesto Billboardove lestvice kantrisinglov. Leta 1985 je napisala knjigo Frank Sinatra, moj oče (Frank Sinatra, My Father).

Zadnji album je izdala leta 2013. Leta 2017 je H&M v svoji oglasni kampanji uporabil duet Summer Wine (1967) in pesem je dosegla sam vrh lestvice Billboard.