Hans sång talang gjorde honom ännu ett framgångsrikt diagram topper med "det finns sådana saker," upptar nummer ett i januari 1943. Sedan i augusti samma år, den sjungande superstjärnan gjorde ett annat diagram buster med "I blått på Afton". Från och med då, Sinatra framgångsrikt gjorde hits efter hits med låtar som "Det är alltid dig,", "Jag ska ser dig" och "All or Nothing at All". Frank Sinatra gjorde många radioprogram runt den tiden och i april 1943 gjorde han sin första kredit framträdande i en film, sjunger "Night and Day" i Reveille Med Beverly som startar sin skådespelarkarriär.
Detta följdes av högre och högre, där han spelade en mindre roll i egenskap av sig själv och följde upp med en annan film, Step Lively som släpptes i mitten av 1944 där han spelade en större roll. I november 1944 återvände han till skär poster som börjar med en cover av Irving Berlins "White Christmas", som var återigen en annan diagram topper. Sinatra anlitade sedan Styne och Cahn att skriva låtar till sin första MGM musikal, Anchors Aweigh, och under loppet av hans framgångsrika sångkarriär, spelade han fler låtar från Cahn än genom någon annan låtskrivare.
Anchors Aweigh, där Sinatra var parat med Gene Kelly, släpptes i juli 1945 och fortsatte med att bli den mest framgångsrika filmen i 1945. Han gick därefter på att visas i många fler filmer som MGM musikaler på stan och lägre budget som som The Kissing Bandit. Samtidigt fortsatte han att slå åtta Top Ten träffar i 1947-1949 som inkluderade "Mam'selle", som drabbade nummer ett i maj 1947 och "Some Enchanted Evening" från Rodgers & Hammerstein musikalen South Pacific. Genom 1950-talet, hans sångkarriär var på nedgång, men han var fortfarande mycket aktiv.
Vid hösten 1950 markerar hans första satsning på tv. Hans film arbete hade nästan avtagit athough mars 1952 var han med i dramat Meet Danny Wilson som testade sin skådespelartalanger på scenen som gav honom möjlighet att sjunga några av hans stör