Neill est né à Omagh, dans le comté de Tyrone en Irlande du Nord, il est le deuxième fils de Dermot Neill, membre de l'Irish Guards, d'origine néo-zélandaise, et de Priscilla, une anglaise. Il retourne avec sa famille en Nouvelle-Zélande en 1954, où il était inscrit au Christ's College, à Christchurch. Il a ensuite poursuivi des études en littérature anglaise à l'Université de Canterbury. Il a ensuite déménagé à Wellington, il poursuivit alors des études supérieures à l'Université Victoria de Wellington, où il obtint un baccalauréat ès arts en littérature anglaise.
Le jeune Sam Neill, diplômé de littérature anglaise, est passionné de théâtre. Il s'y illustre avec de nombreuses compagnies en Nouvelle-Zélande avant de rejoindre la société de production New Zealand National Film Unit pour réaliser des courts-métrages. Il y apprend les métiers de scénariste et de monteur.
Il commence au cinéma en 1975 avec Landfall puis Ma Brillante Carrière. Après ce film, l'acteur James Mason qui l'a remarqué use de son influence sur les studios en 1981 pour que Sam Neill joue le rôle de Damien adulte dans La Malédiction Finale, le dernier volet de la trilogie. Sam Neill, par la suite, interprète une grande variété de rôles, notamment le gentil mari de Nicole Kidman dans Calme blanc, un dangereux espion du KGB dans Enigma, Stewart, mari jaloux et violent dans La Leçon de piano de Jane Campion ou encore Alan Grant, paléontologue dans Jurassic Park de Steven Spielberg. C'est en 1993, avec ces deux derniers films, que Sam Neill acquiert enfin de la notoriété.
Sam Neill est un acteur productif qui accepte en moyenne deux rôles par an durant les années 2000. Le Français François Ozon le dirige dans son film historique
Angel en 2006. La même année, il joue dans Dirty deeds, tourné en Australie, pays qu'il connaît déjà très bien, puis dans Perfect strangers, Little Fish ou encore dans le film d'Ann Turner, Irresistible.
En France, Sam Neill est doublé principalement par Hervé Bellon.