Conocido por su papel de Damien Thorn en Omen III: The Final Conflict (La profecía III) y de Alan Grant en Parque Jurásico. Posee nacionalidad británica, irlandesa y neozelandesa, pero se identifica principalmente como neozelandés.

Después de trabajar en la Compañía de Cine de Nueva Zelanda como actor y director, Neill fue seleccionado como actor principal para la película neozelandesa Sleeping Dogs. Después apareció en el clásico australiano My Brilliant Career (1979), con Judy Davis. Esta interpretación, hizo que más tarde protagonizase el papel de Damien Thorn en Omen III: The Final Conflict en 1981, una de las secuelas de La profecía. A finales de los años 70, su mentor fue el actor James Mason.

Después de que Roger Moore interpretase su última película de James Bond en 1985, Neill fue considerado para el papel en Alta Tensión. Neill impresionó al equipo en sus pruebas de pantalla y era el favorito del director John Glen. En cualquier caso, Albert R. Broccoli no quedó tan impresionado y el papel recayó en Timothy Dalton. Desde entonces, Neill ha interpretado a héroes y villanos en una sucesión de películas para la gran pantalla y televisión. En Reino Unido, fue bien conocido en los primeros años 80, protagonizando dramas como Ivanhoe y acumulando prestigio al interpretar el papel protagonista en la miniserie Reilly, Ace of Spies.

Neill es conocido por protagonizar y coprotagonizar películas de alto presupuesto, incluyendo Calma total (1989), La caza del Octubre Rojo (1990), Memorias de un hombre invisible (1992), El Piano (1993), En la boca del miedo (1994), Sirenas (1994), Parque Jurásico (1993), Horizonte final (1997), El Hombre Bicentenario (1999), La luna en directo (2000) y Parque Jurásico III (2001).

La película Cinema of Unease: A Personal Journey by Sam Neill (1995) fue escrita y dirigida por Sam Neill y Judy Rymer. En él narra sus recuerdos personales sobre la historia del cine neozelandés. Le fue propuesto el papel de Elrond en la trilogía de El Señor de los Anillos de Peter Jackson pero declinó, ya que tenía contrato para realizar la película Parque Jurásico III (2001). Participó y narró la serie documental de la BBC titulada Space (2002).

También ha aparecido en Merlín (1998), una película basada en la leyenda del Rey Arturo y la Dama del Lago, interpretando al legendario mago. Repitió papel en la no muy bien recibida secuela, El aprendiz de Merlin (2006).

En series para la televisión ha participado, entre otras, en el drama histórico Los Tudor (primera temporada), interpretando al Cardenal Wolsey. Aparece en la serie Happy Town, interpretando a Merritt Grieves, un vendedor de objetos cinematográficos de los años 40.