Нилл родился в городе Ома в Северной Ирландии, помимо новозеландского гражданства, он имеет также британское и ирландское. Он стал вторым сыном Дермота Нилла, армейского офицера, выпускника престижных военных учебных заведений Харроу-Скул и Королевской военной академии в Сандхерсте, новозеландца в третьем поколении (после войны он служил в Северной Ирландии), и его жены-англичанки, Присциллы. Семья владела компанией «Нилл и Ко», занимавшейся продажей спиртных напитков в Новой Зеландии.

Нилл с семьёй вернулся в Новую Зеландию в 1954 году, где посещал англиканскую школу-интернат для мальчиков — колледж Христа в Крайстчерче. После этого он поступил в Кентерберийский университет, где изучал английскую литературу, там же он впервые выступил как актёр. Далее он продолжил обучение в Университете королевы Виктории в Веллингтоне, где получил степень бакалавра искусств по английской литературе.

Был женат на новозеландской актрисе Лизе Харроу, от которой в 1983 году у него родился сын Том. А в 1991 году у него родилась дочь Елена от гримёра Норико Ватанабэ, на которой Нилл женился в 1989 году. У Нилла также есть сын Эндрю, который родился, когда Ниллу было около 20 лет — он отдал ребёнка на усыновление, но спустя годы разыскал его и воссоединился с ним.

Актёрская карьера

После незаметных работ в новозеландском кино в качестве режиссёра и актёра Нил получил свою первую главную роль в новозеландском фильме «Спящие псы» 1977 года. Далее он снялся в австралийском фильме «Моя блестящая карьера» (1979), где сыграл в паре с Джуди Дэвис. Лента получила множество призов и стала классикой местного кинематографа. В 1981 году он сыграл главную роль Дэмьена Торна в голливудском блокбастере «Омен 3: Последняя битва». В конце 1970-х наставником Нилла был известный британский актёр Джеймс Мэйсон.

После того, как Роджер Мур снялся в своём последнем фильме о Джеймсе Бонде в 1985 году, Нилл рассматривался как его замена в очередной серии «бондианы», «Искры из глаз». На пробах он многим понравился, в том числе и режиссёру Джону Глену, однако продюсер Кубби Брокколи предпочёл ему Тимоти Далтона. В начале 1980-х Нилл получил известность в Великобритании благодаря ролям в нескольких драмах, вроде «Айвенго», и ведущей ролью в сериале «Рэйли: король шпионов», за которую получил первую номинацию на «Золотой глобус».

Сэм Нилл известен своими ведущими и второстепенными ролями в таких крупных (в основном американского производства) картинах, как «Мёртвый штиль» (1989), «Охота за "Красным октябрём"» (1990), «Пианино» (1993), «Сирены» (1994), «Парк юрского периода» (1993), «Сквозь горизонт» (1997), «Тарелка» (2000) и «Парк юрского периода 3» (2001). Часто играл русских («Энигма», «Доктор Живаго», «Америка»). Для съёмки заключительных сцен фильма «Сквозь горизонт» Сэму Ниллу приходилось вставать в 3 часа ночи, так как наложение грима занимало 7-8 часов.

Ниллу предложили сыграть роль эльфа Элронда в кинотрилогии «Властелин колец» Питера Джексона, однако он отказался из-за занятости в третьей части «Парка юрского периода» (2001). Роль досталась в итоге Хьюго Уивингу. Аналогично он должен был сыграть роль Доктора Осьминога в «Человеке-пауке 2», однако в итоге это сделал Альфред Молина.