1947-ben született az észak-írországi Omagh-ban, édesapja új-zélandi volt, aki a brit hadseregben szolgált. A család 1954-ben költözött Új-Zélandra, ahol Neill később megkapta az első filmszerepeit. Karrierjében fontos állomás volt az ausztrál Ragyogó pályafutásom (1979), első amerikai filmje, az Ómen 3. – Végső leszámolás, melyben az immáron már felnőtt Damient játssza el, aki valójában az Antikrisztus. A szintén 1981-es Megszállottságban Isabelle Adjani volt a partnere, és ez az egyik legmagasabban jegyzett munkája: Andrzej Zulawski párkapcsolati horrorja szerepel a Sight & Sound minden idők legjobb filmjei listáján. (Erre a listára a Zongoralecke is felkerült.)
Népszerű fimjei közé tartozik a Halálos nyugalom, a Vadászat a Vörös Októberre, a Halálhajó vagy Az őrület torkában, karrierje kései szakaszában többször is dolgozott a szintén új-zélandi Taika Waititi rendezővel, így játszott két Thor-filmben is és így született meg a Vademberek hajszája, amiben goromba nevelőapaként az új-zélandi vadonban kalandozik egy nehezen kezelhető tinédzserrel.
Halálának hírét a családja osztotta meg: „Mély fájdalommal tudatja Sam Neill családja, hogy a színész július 13-án, hétfőn elhunyt az ausztráliai Sydneyben. Sam szerettei körében távozott az élők sorából, megőrizve azt a méltóságot, amely egész életét jellemezte. Bár a veszteség hirtelen és váratlanul ért minket, vigaszt jelent a tudat, hogy Sam rákja nem újult ki. A család ezúton is köszönetét fejezi ki a St Vincent’s Private Hospital munkatársainak a példaértékű gondoskodásért.”
Kemoterápiás kezelést kapott, miután 2022-ben harmadik stádiumú vérrákot diagnosztizáltak nála. A rákkezelés miatt munkától távol töltött időt emlékiratainak megírására használta fel, a Did I Ever Tell You This? című kötet 2023 márciusában jelent meg. Idén azt nyilatkozta, hogy a rák eltűnt a szervezetéből.
A színészről Új-Zéland miniszterelnöke, Christopher Luxon is megemlékezett: „Akkor kezdte a pályafutását, amikor ebben az országban szinte még nem is létezett filmipar. Több mint ötven éven át terjesztett új-zélandi történeteket a világban, tehetsége hozzájárult ahhoz, hogy filmiparunk mára azzá váljon, ami: egyik legjelentősebb kulturális exporttermékünkké. Munkásságát még jóval azután is nézni és szeretni fogják, hogy mi már nem leszünk.”
