Nacido en Omagh, condado de Tyrone, Irlanda del Norte (Reino Unido), Sam Neill es el segundo hijo de Dermott Neill (neozelandés de tercera generación) y la británica Priscilla Neill. Su padre fue oficial educado en la Real Academia de Sandhurst. Cuando nació Sam, su padre estaba destinado en Irlanda del Norte, Reino Unido. Sirviendo en los Guardias Irlandeses. Su familia fue propietaria de Neill and Co., la mayor distribuidora de licores de Nueva Zelanda.

Neill regresó a Nueva Zelanda en 1954, donde acudió a clases en el colegio anglicano Christ's College, en Christchurch. Después estudió literatura inglesa en la Universidad de Canterbury, donde tuvo su primer contacto con la interpretación. Mientras estuvo en la Universidad de Canterbury, residió en el College House, donde fue nombrado Jefe Castigador y Triturador del Crimen. Más tarde se trasladó a Wellington para continuar con carrera la Victoria University of Wellington, donde se graduó como licenciado en Artes y Literatura Inglesa.

Su nombre artístico, Sam, se debe a que en el colegio, él era uno de los dos Nigels que había en su clase, por lo que ambos decidieron que le llamarían Sam, para evitar errores.

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.^[2]​ 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),^[3]​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.

Premios Emmy:

• Nominado a Mejor Actor en una Miniserie o Película por: Merlín (1998)

Globos de Oro:

• Nominado a Mejor Interpretación Masculina en una Miniserie o Película para Televisión por: Merlín (1998)
• Nominado a Mejor Interpretación Masculina en una Miniserie o Película para Televisión por: One Against the Wind
• Nominado a Mejor Interpretación Masculina en una Miniserie o Película para Televisión por: Reilly: Ace of Spies (1983)

Palma de Oro en el Festival de Cannes

• Ganador por su trabajo junto a Holly Hunter en la película de Jane Campion El Piano (1993).^[4]​

Neill reside en Queensland (Australia) y tiene un hijo, Tim (nacido en 1983), de la actriz Lisa Harrow, y una hija, Elena (nacida en 1991), de la maquilladora Noriko Watanabe, con la que se casó en 1989. También tiene una hijastra, Maiko Spencer (nacida en 1981) del primer matrimonio de Noriko Watanabe. Se separaron en 2017. Desde principios de 2018 empezó a salir con la periodista australiana Laura Tingle.^[4]​

Neill apoya al Partido Laborista Australiano, a Greenpeace, Oxfam, y a WWF. También apoya firmemente la legalización del cánnabis y ha sido arrestado por su activismo.

Es propietario de dos bodegas en Central Otago, Nueva Zelanda.

En marzo de 2023, Neill reveló que se había sometido a quimioterapia después de que le diagnosticaran linfoma de células T angioinmunoblástico en etapa 3, un tipo de cáncer de la sangre, luego de que las glándulas inflamadas se notaron por primera vez durante la publicidad de Jurassic World Dominion. El cáncer está en remisión según Neill, pero requerirá quimioterapia continua por el resto de su vida, haciendo temer por su ya delicado estado de salud.^[5]​

• Sitio web oficial de Two Paddocks (en inglés)
• Sam Neill en Internet Movie Database (en inglés).