Jeho otec sloužil jako důstojník v britské armádě, a když Sam Neill bylo osm let, rodina se přestěhovala ze Severního Irska zpátky na Nový Zéland, odkud rodiče pocházeli. 1971 vystudoval anglickou literaturu na Canterbury University v Christchurchu, kde se začal věnovat amatérskému divadlu. Připojil se k zájezdovému divadelnímu souboru, v jehož inscenaci Hamleta hrál titulní part dánského kralevice.
Během 70. let pracoval jako filmový střihač a režisér pro New Zeland National Unit ve Wellingtonu, kde natočil řadu krátkých hraných a dokumentárních filmů. Poté, co na sklonku 70. let odešel do Austrálie, zahájil profesionální hereckou kariéru v TV a před film.kamerou. Působivý výkon, jímž opět prokázal své herecké kvality, podal v postavě zhrzeného farmáře Stewarta, který se krutě pomstí své mladé manželce - němé klavíristce (Holly Hunterová) - za její nevěru s negramotným venkovanem (Harvey Keitel), v melodramatu Piano. Hvězdu mezinárodního formátu z něho učinila teprve hlavní úloha paleontologa Alana Granta, který se ocitá tváří v tvář nebezpečným pravěkým veleještěrům, v dobrodružné trikové fantazii Jurský park.
Často hraje v TV, kde vedle příležitostného hostování vytvořil m.j. titulní postavu v minisérii Reilly: Eso mezi špiony (nominace na Zlatý glóbus) a anglického majora Leggatta ve válečném snímku podle skutečných událostí Sama proti větru (nominace na Zlatý glóbus). V poslední době zaujal titulní postavou mytologického čaroděje ve výpravném TV snímku Merlin (nominace na cenu Emmy a na Zlatý glóbus) a rolí profesora Mortlocka v komedii Má matka Frank (nominace na Australskou filmovou cenu).
Za své herecké dílo byl vyznamenán Řádem britského impéria (O.B.E.; 1993). Jednou z jeho manželek byla britská herečka Lisa Harrowová (80. léta), se kterou má syna Tima. Od 1989 je ženatý s japonskou maskérkou Noriko Watanebeovou, s níž má dceru Elenu.
