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Samuel George Sammy Davis Jr. naît dans le quartier de Harlem à New York. Il est le fils d'Elvera Sanchez, une danseuse, et de Sammy Davis Sr., un artiste touche-à-tout afro-américain. Le couple gagne sa vie en jouant dans des comédies populaires au théâtre. Nourrisson, il est élevé par sa grand-mère paternelle. Le petit Sammy n'est âgé que de 3 ans lorsque ses parents divorcent. Pour éviter de perdre la garde de son fils, Sammy Sr. l'emmène avec lui en tournée. Au sujet de sa mère, Sammy Davis Jr. prétendra toute sa vie qu'elle était porto-ricaine, mais l'un de ses biographes affirme que celle-ci était en fait d'origine cubaine. Sammy aurait menti pour éviter d'être confronté aux sentiments anti-cubains de l'Amérique des années 60, à leur apogée après la crise des missiles en 1962.
Enfant, il apprend la danse grâce à son père et à son « oncle », Will Mastin, le leader de la troupe où danse Sammy Sr. Bientôt, le jeune Sammy Jr. rejoint son père et Will Mastin pour former le Will Mastin Trio. Tout au long de sa carrière, Sammy Davis Jr. reversera une partie de ses cachets aux membres de son ancien groupe.
Son père et Will Mastin font tout pour protéger l'enfant du racisme ambiant. Ils lui expliquent, par exemple, que les railleries dont il est victime pendant la Seconde Guerre mondiale sont l'expression de la jalousie. Sammy Jr., qui est enrôlé dans les forces américaines, se voit alors confronté au racisme pour la première fois. Il racontera plus tard : « La nuit, le monde était différent. Ce n'était plus une question de couleur. C'est là que je me suis rendu compte que mon père et Will m'avaient protégé jusque-là. Ils avaient espéré que je puisse échapper aux moqueries et à la haine. Je leur en étais reconnaissant, mais ils avaient eu tort. C'était comme si j'étais passé par une porte battante pendant 18 ans, une porte qu'ils avaient secrètement toujours laissé ouverte. »
Malgré les railleries, Sammy Jr. rejoint une unité de divertissement pendant son service militaire, et découvre que les projecteurs constituent une sorte de bouclier contre le racisme. « Mon talent était une arme, une force, un moyen de me défendre. C'était le seul moyen dont je disposais pour tenter de faire réfléchir la personne en face de moi », a-t-il déclaré.
De retour à la vie civile, il participe à des spectacles de danse et de chant, et commence à connaître le succès. Il finit par se faire repérer par une maison de disque et enregistre un premier album en 1954, Starring Sammy Davis Jr. Un deuxième disque, Just for lovers paraît l'année suivante. En 1956, alors que sa carrière décolle, il décroche un second rôle à Broadway dans la comédie musicale Mr. Wonderful aux côtés de son père et de Will Mastin. Le spectacle est un succès, et connaîtra près de 400 représentations.
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En 1959, son vieil ami Frank Sinatra l'invite à rejoindre le Rat Pack, un groupe créé et emmené par The Voice, et dont Sammy Davis Jr. et Dean Martin constituent les membres les plus populaires auprès du public. Le Rat Pack enregistre des dizaines de disques et tourne de nombreux films de qualité inégale, parmi lesquels L'Inconnu de Las Vegas (Ocean's Eleven) en 1960 ou Les Sept Voleurs de Chicago (Robin and the Seven Hoods) en 1964. De 1960 à 1966, la troupe (qui comprend de nombreuses autres stars de l'époque comme Peter Lawford ou Joey Bishop) joue à guichets fermés dans toute l'Amérique avec un spectacle mêlant musique et comédie. Le Sands Hotel de Las Vegas, véritable quartier général du Rat Pack (et propriété de Frank Sinatra) voit défiler les plus grandes célébrités des années 60 (y compris des hommes politiques) qui viennent assister à des représentations faisant de la ville du Nevada le centre du monde du divertissement. Las Vegas n'est alors qu'un vaste terrain de jeu sans autre distraction que les nombreux casinos.
Devenu une star incontournable, Sammy Davis Jr. refuse de jouer dans les salles qui pratiquent la ségrégation. Ces refus auraient participé à l'arrêt des discriminations dans les clubs de Las Vegas et Miami Beach, et dans les casinos de l'État du Nevada.
Sa carrière faillit se briser le 19 novembre 1954 : il est victime d'un accident de voiture sur un passage à niveau de la Route 66 à hauteur de San Bernardino (Californie), alors qu'il se rend à l'enregistrement du générique du film de Tony Curtis La Police était au rendez-vous (Six Bridges to Cross). Il échappe de justesse à la mort mais perd l'usage de son oeil gauche (il portera un oeil de verre jusqu'à sa mort).
Pendant son séjour à l'hôpital, son ami Eddie Cantor lui parle des points communs entre la condition des noirs américains et le peuple juif. Davis se convertit finalement au judaïsme après la lecture d'un livre sur l'histoire des Juifs, toujours pendant sa convalescence. Un paragraphe évoquant la persévérance dont les Juifs ont fait preuve, le marque particulièrement : « Les Juifs ne peuvent pas disparaître. Trois siècles d'enseignement prophétique les ont résignés, et ont fait naître en eux un désir de vivre qu'aucune tragédie ne pourrait anéantir. ».
Dans ses différentes autobiographies, Sammy décrit un style de vie dissolue, où se mêlent alcool, cocaïne et femmes. Il fait également état de problèmes financiers réguliers.
En 1960, il crée la polémique en épousant l'actrice d'origine suédoise May Britt, dans une Amérique encore profondément ségrégationniste. Il reçoit des lettres de menaces après avoir été choisi pour jouer à Broadway dans la comédie musicale Golden Boy en 1964. Ce qui ne semble pas ternir l'enthousiasme des fans : le spectacle est un succès (au début) mais s'arrête finalement après quelques représentations. Les mariages interraciaux sont alors interdits par la loi dans 31 États, des lois abolies par la Cour suprême américaine en 1967. May Britt donne naissance à une fille et le couple adopte deux autres enfants. Sammy, qui enchaîne les spectacles, passe peu de temps avec sa femme. Il avoue également entretenir une relation avec la chanteuse Lola Falana (sa partenaire dans Golden Boy), ce qui précipite le divorce du couple prononcé en 1968. Cette même année, Sammy Davis Jr. commence à fréquenter Altovise Gore, une danseuse rencontrée lors d'un show TV. Ils se marient en 1970 lors d'une cérémonie célébrée par le révérend Jesse Jackson, et resteront unis jusqu'à la mort de Sammy en 1990.
Il est l'une des premières célébrités masculines à admettre publiquement son goût pour les séries télé à l'eau de rose, particulièrement celles diffusées sur ABC. Un aveu qui lui permet de décrocher un petit rôle de toxicomane dans la série Hôpital central (General Hospital), ainsi qu'une apparition régulière dans la série On ne vit qu'une fois (One Life to Live) dans la peau de Chip Warren, un rôle pour lequel il est nommé aux Daytime Emmy en 1980 (les Daytime Emmy récompensent les programmes diffusés en journée aux États-Unis).
Peu avant sa mort, Sammy Davis Jr. se voit récompensé par la communauté noire lors d'une émission de télévision. À la surprise générale, il remercie Jésus pendant son discours, ce qui ne manque pas de provoquer une polémique finalement atténuée lorsque l'artiste explique que la phrase avait été sortie de son contexte, et ne faisait pas référence à ses convictions personnelles.
Atteint d'un cancer de la gorge, Sammy Davis Jr. meurt à Beverly Hills (Californie) le 16 mai 1990 à l'âge de 64 ans, suite à des complications liées à sa maladie. Il est enterré au cimetière du Forest Lawn Memorial Park de Glendale (Californie), aux côtés de son père et de Will Mastin.
Une vente aux enchères est organisée peu après sa mort afin de régler ses nombreuses dettes, notamment des arriérés d'impôts réclamés par l'État Fédéral.