Fils d'acteurs, Sam Rockwell débute sa carrière à 10 ans aux côtés de sa mère. Après quelques apparitions à la télévision, notamment dans un téléfilm de Francis Ford Coppola, Clownhouse, il s'installe à New York où il prend des cours de théâtre. Il enchaîne les petits rôles à la télévision et au cinéma, mais ce n'est qu'en 1996 que sa carrière cinématographique décolle véritablement. Il joue alors dans quatre films dont Basquiat et Box of moonlight de Tom DiCillo. Si ce dernier film n'est pas un succès commercial, il permet néanmoins à Sam Rockwell d'obtenir une reconnaissance de la part de la critique.L'année suivante, il obtient deux récompenses (Meilleur acteur au Festival du Film de Montréal ainsi qu'au au Festival du Film de Barcelone) pour Lawn Dogs. Une fois encore, il interprète un personnage en marge de la société qui cette fois se lie d'amitié avec une fillette. En 1999, il joue successivement un tueur fou dans La Ligne verte puis un acteur loufoque dans Galaxy Quest. Ses transformations séduisent la critique et le public. En 2002, il est en tête d'affiche de Bienvenue à Collinwood et Confessions d'un homme dangereux de George Clooney où il interprète des personnages décalés.
Composant des personnages peu recommandables dans les thrillers Braquages (2002) et Les Associés (2003), il peut également surprendre par la gravité et la sobriété de son jeu comme en témoignent ses performances dans le western dramatique L'Assassinat de Jesse James par le lâche Robert Ford (2007), le fantastique Joshua (id.) ou encore le drame familial Everybody's Fine (2008) aux côtés de Robert De Niro.
L'acteur continue de diversifier ses rôles en participant notamment à l'entrevue fictive entre le Président Nixon et un animateur de télévision populaire, mise en scène dans Frost / Nixon, l'heure de vérité de Ron Howard, tout en s'essayant au doublage pour le dessin animé des studios Disney Mission-G. En 2010, Rockwell se glisse dans la peau de Justin Hammer, le rival et nouvel ennemi de Tony Stark, dans la lucrative suite du blockbuster de Jon Favreau, Iron Man 2. Un an plus tard, il retrouve le réalisateur dans la très mal reçue adaptation du roman graphique Cowboys & envahisseurs.
Sam Rockwell renoue ensuite avec des personnages déjantés dans 7 Psychopathes (2013) du réalisateur de Bons baisers de Bruges Martin McDonagh et Blonde sur ordonnance (2014), où il campe un pharmacien décidant de donner du piment à sa petite vie tranquille en consommant régulièrement des médicaments. Le comédien s'adonne également aux joies du thriller avec Single Shot où il recroise le chemin de William H. Macy après Trust Me (2013) et Bienvenue à Collinwood (2002). Alternant projets indépendants et commerciaux, Rockwell tombe sous le charme de Keira Knighltey dans la comédie modeste Girls Only (2015), avant de donner sa chance au reboot de Poltergeist la même année.
