Z orkiestrą Dorseya wykonał ponad 80 nagrań w latach 1940–1942, a do najbardziej znanych należą: „I’ll Never Smile Again”, „Street of Dreams”, „There Are Such Things”, „Stardust”, „Let’s Get Away From It All” i „This Love of Mine”. Sinatra twierdził, że nauczył się kontroli oddechu dzięki obserwowaniu gry swojego mentora Dorseya.
Wraz ze wzrostem popularności (w 1941 „Billboard” przyznał mu tytuł wokalisty roku) Sinatra stał się centralną postacią zespołu i zapragnął nagrywać piosenki jako solowy artysta, na co Dorsey się zgodził. W 1942 nagrał utwory: „Night and Day”, „The Night We Called It a Day”, „The Song is You” i „Lamplighter’s Serenade”. Sukces, który osiągnął dzięki tym piosenkom, zachęcił go do odejścia z zespołu, na co nie chciał się zgodzić Dorsey. Było to wówczas wielkie wyzwanie, bo poza Bingiem Crosbym żaden wokalista solowy nie osiągnął spektakularnego sukcesu bez zespołu. Sinatra tak motywował swoją decyzję:
Amerykańskie media plotkowały, że gangster Willie Moretti groził śmiercią Dorseyowi, jeżeli ten nie spełni oczekiwań Sinatry. Ostatecznie 8 września 1942, po wielomiesięcznych negocjacjach, piosenkarz opuścił zespół.