Nacido en Omagh, Irlanda del Norte, el 14 de septiembre de 1947, de madre inglesa y padre neozelandés, se mudó con su familia a Nueva Zelanda, donde posteriormente estudió Literatura Inglesa en la Universidad de Canterbury y en la Universidad Victoria.
Tras finalizar sus estudios, empezó a colaborar con varias compañías de teatro. También trabajó como director y guionista para la National Film Unit de Nueva Zelanda durante seis años.
En 1986 protagonizó la miniserie británica Reilly, Ace of Spies, en la que se dramatizaba la vida del espía ruso Sidney Reilly.
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Adquirió fama internacional gracias a sus interpretaciones en películas como Dead Calm (1989); The Hunt for Red October (1990), en la que trabajó junto a Sean Connery; o The Piano (1993), ganadora de tres Óscar.
Pero su papel más conocido es el del paleontólogo Alan Grant en la saga Jurassic Park, donde fue protagonista en el primer filme de 1993, Jurassic Park III (2001) y Jurassic World: Dominion, estrenada finalmente en 2022 tras verse interrumpido su rodaje por la pandemia del Covid-19.
Otras películas en las que intervino Neill con un papel destacado fueron A Cry in the Dark (1988); The Horse Whisperer (1998); Bicentennial Man (1999); y The Commuter (2018).
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Además, trabajó en series como Merlin (1998), en la que su papel protagonista le valió una nominación a los Premios Emmy y los Globos de Oro en la categoría de mejor actor en una miniserie y otra en la de mejor interpretación masculina; The Tudors (2007-2010) o Peaky Blinders (2013).
Para 2027 estaba previsto el estreno de The Last Resort, la última película que había grabado.
El actor recibió numerosos premios a lo largo de su carrera: obtuvo el Premio del Instituto de Cine Australiano al mejor actor protagonista por A Cry in the Dark (1988), y en 1991 fue nombrado Oficial de la Orden del Imperio Británico.
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En marzo de 2023 anunció que estaba recibiendo tratamiento por un raro cáncer de sangre en una etapa avanzada. El comunicado de su familia asegura que “la pérdida ha sido repentina e inesperada, pero bendecida por el hecho de que Sam estuvo libre de cáncer”, según el mensaje publicado en el perfil del intérprete en Instagram.
Neill estuvo casado entre 1978 y 1989 con la actriz Lisa Harrow, con quien tuvo a su primer hijo en 1983. En 1989 contrajo matrimonio con Noriko Watanabe, con la que tuvo una hija en 1991 y adoptó otra.
Neill y Watanabe se divorciaron en 2017, y después el actor mantuvo una relación hasta 2021 con la periodista Laura Tingle. En 2023 publicó sus memorias, Did I Ever Tell You This?, que escribió durante su enfermedad.
