Né dans le Nord de l'Irlande mais néo-zélandais de cœur, Sam Neill suit des études de littérature anglaise qui développent en lui un intérêt particulier pour l'art dramatique. Après avoir obtenu son diplôme, Il se met à jouer avec de nombreuses compagnies en Nouvelle-Zélande avant de rejoindre la New Zealand National Film Unit, une société de production avec laquelle il travaille pendant 6 ans. C'est là qu'il commence à se pencher sur le cinéma en réalisant des courts métrages et en apprenant l'écriture de scénario et le montage.
Sa première apparition sur grand écran date de 1975 avec Landfall de Paul Maunder. Il joue ensuite dans My brilliant career qui lui vaut d'être remarqué par l'acteur James Mason. Ce dernier fait pression sur les studios pour que Sam Neill incarne Damien adulte dans La Malediction finale (1981), le volet final de la célèbre trilogie. Son physique mi-ange mi-démon, lui permet d'incarner des personnages très différents. Dans Un cri dans la nuit (1988) par exemple, aux côtés de Meryl Streep, ou dans Calme Blanc (1989) avec Nicole Kidman, il représente le mari parfait tandis que dans Enigma (1982), il est un dangereux espion du KGB. Cette dualité s'affermit en 1993 par deux performances marquantes dans la carrière de Sam Neill : d'abord le terrible Steward dans La Leçon de piano de Jane Campion, ensuite l'aventurier intrépide Alan Grant, perdu avec deux enfants au beau milieu du Jurassic Park de Steven Spielberg. Ces deux films lui permettent d'accéder enfin à une reconnaissance critique mais surtout publique.
La carrière de Sam Neill continue sans accroc et dans la diversité, que ce soit dans la comédie romantique (Sirènes en 1994) ou dans la science-fiction (Event Horizon: le vaisseau de l'au-dela de Paul Anderson en 1997, L'Homme bicentenaire avec Robin Williams en 1999), avant de rejouer en 2001 dans Jurassic Park III. Dans Dirty deeds (2002) de David Caesar, il retrouve l'Australie et joue aux côtés de Toni Collette avant de rejoindre Rachel Blake dans Perfect strangers (2003) où il incarne un séducteur qui prend en otage une femme pour l'emmener sur une île. Le comédien joue ensuite dans Little Fish, où il évolue dans la banlieue ouest de Sydney en compagnie de Cate Blanchett. On le retrouve en 2004 dans la peau du méchant de La Plus belle victoire de Richard Loncraine, rôle qui lui sied également dans le vampirique et futuriste Daybreakers (2009), le film de Michael et Peter Spierig.
Malgré ces films, les années 2000 n'illuminent aucun succès dans sa carrière cinématographique. Toutefois, il apparaît dans plusieurs séries télévisées. Ses débuts dans les séries datent de 1980 avec The Sullivans, mais il devient vraiment sollicité à partir de 2005 avec The Triangle qui lui offre une nomination au Saturn Award du Meilleur acteur dans un second rôle. On le retrouve ensuite dans Les Tudors (2007), Crusoe (2008), Happy Town (2010) et Alcatraz (2012) dans laquelle il interprète le personnage de l'énigmatique agent fédéral Emerson Hauser. Entre séries et films, Sam Neill jongle avec les (seconds) rôles. En 2012, il prend notamment part à la comédie romantique à succès Je te promets - The Vow, en y incarnant le père d'une Rachel McAdams amnésique.
