Interpretó al Dr. Alan Grant en Jurassic Park y también tuvo papeles destacados en películas como Mouth of Madness, The Hunt for Red October, Omen III: The Final Conflict y Dead Calm.
Llamado Nigel al nacer, adoptó el nombre Sam para evitar confusiones con otros estudiantes llamados Nigel. Tartamudeaba de niño y se graduó de la Universidad de Victoria.
Fundó una bodega en Nueva Zelanda llamada Two Paddocks Winery.
Su padre, Dermot Neill, y su madre, Priscilla, lo criaron en Irlanda del Norte. La familia de Dermot era la propietaria del mayor minorista de licores de Nueva Zelanda en ese momento. Sam se casó con la maquilladora Noriko Watanabe en 1989 y la pareja tiene un hijo llamado Tim y una hija llamada Elena.
Protagonizó The Hunt for Red October con Sean Connery.