Нил родился 14 сентября 1947 года в городе Ома (Северная Ирландия). Мальчик был вторым сыном офицера британской армии и новозеландца в третьем поколении, Дермота Нила, и его жены, англичанки Присциллы Ингам. В момент рождения Сэма его отец проходил службу в гвардии Северной Ирландии. Предки актера по отцовской линии были владельцами крупнейшей новозеландской компании Нилл и Ко, специализирующейся на производстве ликеров. В 1954 году вместе с семьей Сэм перебрался в Новую Зеландию. Там он поступил в англиканский интернат для мальчиков Крайстс-Колледж, расположенный на Южном острове в городе Крайстчерч.
После окончания школы Нил поступил в Кентерберийский университет. Его специализацией стала английская литература. Именно в университете, на сцене студенческого театра, Сэм впервые попробовал себя в актерском амплуа. После этого он принял решение продолжить обучение. Для этого Нил перебрался в Веллингтон, где поступил в Университет Виктории. Через несколько лет будущий актер окончил его со степенью бакалавра в области английской литературы. Кинематографический дебют актера состоялся еще в 1975 году. Его первыми работами были роли в новозеландских телефильмах. Заметным проектом для актера стала роль в английском мистическом триллере Грэхэма Бэйкера «Омен 3: Последний конфликт», где Сэм появился в образе Антихриста Дэмиена Торна.
В 1981 году Нил получил роль в культовом артхаусном фильме ужасов Анджея Жулавски «Одержимая». Его партнершей по съемкам стала Изабель Аджани. Затем актер был одним из основных кандидатов на роль нового Джеймса Бонда, но уступил Тимоти Далтону. В 1988 году вместе с Мерил Стрип Нил работал над драмой Фреда Скеписи «Крик в темноте», основанной на реальных событиях. В целом за свою продолжительною карьеру актер уже сыграл около девяноста ролей. Его наиболее яркими работами можно назвать роль лейтенанта морских сил Джона Инграма в триллере Филипа Нойса «Мертвый штиль»; политического деятеля маркиза Ла Файета в исторической военной драме Робера Энрико «Французская революция»; старшего офицера Василия Бородина в триллере Джона МакТирнэна «Охота за “Красным октябрем”»; палеонтолога Доктора Алана Гранта в научно-фантастическом фильме Стивена Спилберга «Парк Юрского периода»; художника Нормана Линдсея в комедии Джона Дайгана «Сирены»; полковника Джефри Брайдона в приключенческой картине Стивена Соммерса «Книга джунглей»; страхового следователя Джона Трента в фантастическом фильме ужасов Джона Карпентера «В пасти безумия»; доктора Уильяма Вейра в научно-фантастическом фильме ужасов Пола У.С. Андерсона «Сквозь горизонт», а также роль Ричарда Мартина в фантастической мелодраме Криса Коламбуса «Двухсотлетний человек».
Постоянным местом жительства Нила долгое время был Квинстан, где актер организовал собственную винодельню «Two Paddocks». В 1983 году у Сэма родился сын Тим, чьей матерью стала новозеландская актриса Лиза Харроу. В 1989 году Нил женился на визажистке Норико Ватанабе. В этом браке родилась его дочь, Елена. Также актер стал отчимом для дочери жены, Майко Спенсер, родившейся в первом браке Норико. Интересным фактом является то, что в 2004 году в эфире одного австралийского ток-шоу ведущий и тележурналист Эндрю Дентон вскользь упомянул о заиканиях актера, преследовавших его с детства. По признанию самого Нила, несмотря на усиленную работу над дикцией, малейшие признаки былого недуга можно заметить в его произношении и по сей день.
