Nigel John Dermont „Sam“ Neill wurde am 14. September 1947 in Omagh, Nord-Irland als Sohn eines Armee-Offiziers und einer Engländerin geboren. Zur Zeit seiner Geburt war sein Vater Dermont Neill, Neuseeländer der dritten Generation, in Nord-Irland stationiert und diente als Irish Guard. 1954 zog die Familie zurück nach Christchurch, Neuseeland. Nach seinem Schulabschluss am Christ’s College begann er ein Studium an der University of Canterbury in englischer Literatur. Auf dem College machte Neill auch seine ersten Schauspiel-Erfahrungen. An der Victoria University in Wellington schloss er schließlich sein Studium mit einem Bachelor of Degree ab. Danach arbeitete er für die New Zealand National Film Unit als Regisseur und Schauspieler.

Seine ersten größeren Rollen hatte er Ende der 70er Jahre in „Landfall“ (1975), „Ashes“ (1975) und in dem Polit-Thriller „Sleeping Dogs“ (1977). An der Seite von Judy Davis spielte Neill die Hauptrolle in dem australischen Drama „Meine brilliante Karriere“ (1979) und bewarb sich damit indirekt für die Rolle des Damien Thorn in „Omen III: Barbaras Baby“ (1981). Zu der Zeit war er auch als Nachfolger von Roger Moore als James Bond im Gespräch, dessen Rolle dann letztendlich an Timothy Dalton ging. In der Folge spielte Neill sowohl Helden als auch Bösewichte für eine Reihe von Kino- und Fernseh-Filmen und machte sich somit Anfang der 80er Jahre einen Namen, vor allem in Großbritannien. Vor allem seine Hauptrolle als britischer Spion in der TV-Mini-Serie „Reilly, Ace of Spies“ (1983), die Nebenrolle in dem Thriller „Todesstille“ (1989) mit Nicole Kidman und an der Seite von Sean Connery und Alec Baldwin in dem U-Boot-Thriller „Jagd auf Roter Oktober“ (1990) ließen auf eine große Hollywood-Karriere hoffen. Für „Reilly, Ace of Spies“ erhielt er zum ersten Mal einen Golden Globe als bester Schauspieler in einer Mini-Serie. Der endgültige Durchbruch gelang ihm im Jahr 1993. Nach dem mehrfach preisgekrönten Drama „Das Piano“, in dem er neben Holly Hunter als tauber Pianistin einen neuseeländischen Grenzsoldaten spielte, erhielt er die Rolle, die den meisten wohl am stärksten in Erinnerung blieb: Die des Paläontologen Dr. Alan Grant in Steven Spielbergs „Jurassic Park“ (1993), in die er für „Jurassic Park III“ (2001) ein zweites Mal schlüpfte. Der erste Teil war nicht nur der bis dato teuerste, sondern auch der erfolgreichste Film aller Zeiten. Obwohl der Film mit Auszeichnungen überhäuft wurde, ging Sam Neill als Darsteller leer aus. Trotzdem verhalf ihm die Rolle dazu, in die Riege der bekanntesten Schauspieler Hollywoods aufzusteigen. Gleichzeitig war er damit aber auch schon auf dem Höhepunkt seiner Karriere angelangt, denn es folgten größtenteils weniger aufwendige Produktionen oder solche, die an der Kinokasse floppten, wie der Sci-Fi-Thriller „Event Horizon - Am Rande des Universums“ (1997) oder „Der 200 Jahre Mann“ (1999). Neben seiner Rolle als Dr. Alan Grant kennen die meisten Neill als den titelgebenden Zauberer in der TV-Serie „Merlin“ (1998), für dessen Darstellung er mit einem Emmy und einen weiteren Golden Globe Award erhielt. Zuletzt war er 2012 in der überaus erfolgreichen Romanze „Für immer Liebe“ als Filmvater von Rachel McAdams zu sehen.

Sam Neill lebt in Queenstown in Neuseeland mit seiner zweiten Frau Noriko Watanabe, mit der er seit 1989 verheiratet ist. Neill hat einen 1983 geborenen Sohn aus seiner ersten Ehe mit der Schauspielerin Lisa Harrow und mit Watanabe eine Tochter, die 1991 geboren wurde.