Fille de Nancy Barbato et du plus célèbre crooner Frank Sinatra, Nancy Sinatra naît le 8 juin 1940 à Jersey City. Elle étudie le piano, le chant, la danse, le théâtre, et apparaît à la télévision, aux côtés de son père ou d'Elvis Presley, dès l'âge de dix-sept ans. Elle quitte donc naturellement les bancs de la University of Southern California pour embrasser une carrière de chanteuse et d'actrice.
Débutant tout d'abord sous l'égide de son père, Nancy Sinatra décide de voler de ses propres ailes en 1961. Elle enregistre ainsi une douzaine de simples à la mode dite « bubble gum », tels « Cufflinks and a Tie Clip » ou « Not Just your Friend ». Elle tourne également dans les films Get Yourself A College Girl (1964) de Sidney Miller, et est à l'affiche de Marriage On The Rocks (1965) de Jack Donohue avec Frank Sinatra, Deborah Kerr ou Dean Martin.
Mais Nancy Sinatra cumule les insuccès et son père la confie à Lee Hazlewood. Producteur et compositeur, celui-ci avait hautement contribué aux grands tubes de Duane Eddy comme « Rebel Rouser » (1958) ou « Boss Guitar » (1963). Hazlewood réitère sa bonne intuition avec Nancy Sinatra en lui conseillant d'adopter une image plus dure et destinée à un public plus machiste. Le titre « These Boots Are Made For Walkin' » (février 1966) touche finalement un public bien plus vaste que les « camionneurs » visés puisqu'il devient un tube planétaire classé n° 1 des charts américains, et symbole de l'émancipation de la femme.
Nancy Sinatra va ensuite enchaîner les tubes concoctés par son mentor, avec « How Does That Grab You, Darlin' » (1966), « Sugar Town », « Friday's Child », « In Our Time ». L'actrice tourne parallèlement dans Ghost In The Invisible Bikini (1966) de Don Weis, The Last Of The Secret Agent (1966) de Norman Abbott, et The Wild Angels (1966) de Roger Corman avec Peter Fonda.
Nancy Sinatra interprète également quelques duos à succès avec Hazlewood comme « Summer Wine » et « Jackson » en 1967. Elle enregistre la chanson de John Barry « You Only Live Twice » (1967) destinée à la bande originale du film éponyme de la série des James Bond, le duo « Somthin' Stupid » (1968) avec son père, et donne la réplique à Elvis Presley dans le film Speedway (1968) de Norman Taurog, comme actrice et en duo sur la chanson « There Ain't Nothing Like A Song ».
Nancy Sinatra épouse le danseur et chorégraphe Hugh Lambert en décembre 1970 et, après un dernier succès avec Hazlewood, « Did You Ever » (1971), elle met un frein à sa carrière pour se consacrer à sa famille qui comptera deux filles, Angela et Amanda.
Nancy Sinatra fera quelques retours ponctuels, dont deux duos avec Mel Tillis (« Texas Cowboy » ; Play Me Or Trade Me », 1981), l'album en solo One More Time (1995), le single « It's For My Dad » après la mort de Frank Sinatra le 14 mai 1998. Elle s'adjoint les collaborations de Bono & The Edge, Morrissey (pour le simple « Let Me Kiss You ») et Jarvis Cocker pour enregistrer Nancy Sinatra (2004).
Quentin Tarantino sera à l'origine d'un regain de popularité pour la chanteuse en incluant un remix de « Bang Bang » dans la bande originale du film Kill Bill : Vol. 1 (2003). Elle a son étoile sur le Hollywood Boulevard Walk of Fame.
