Après des débuts sur scène dès l'âge de six ans dans la pièce Antigone dirigée par son père, Sam Waterston entreprend des études supérieures à la Sorbonne, à l'American Actors Workshop de Paris où il prend l'enseignement de John Berry, puis à la Yale School of Drama. Après quelques apparitions dans la série Dr. Kildare en 1961, Sam Waterston se fait remarquer à Broadway en 1962 dans la pièce Oh dad, poor dad, mama's hung you in the closet and I'm feelin' so bad. L'acteur restera dès lors très attaché aux planches qu'il retrouvera régulièrement. Au cinéma, on le remarque pour la première fois dans Savages de James Ivory en 1972, mais c'est dans Gatsby le magnifique de Jack Clayton qu'il est réellement découvert aux côtés de Mia Farrow deux ans plus tard, avec une nomination au Golden Globe du meilleur acteur à la clé. En 1978, Sam Waterston collabore pour la première fois avec Woody Allen dans Intérieurs, avant de retrouver le cinéaste pour Hannah et ses soeurs (1986), September (1987) et Crimes et Delits (1989). En 1980, Sam Waterston tient l'un des premiers rôles de La Porte du paradis de Michael Cimino, avant d'enchaîner sur l'un de ses interprétations les plus marquantes : celle du journaliste Sidney Schanberg dans La Dechirure de Roland Joffé, qui lui vaut une nomination à l'Oscar du meilleur acteur et une nouvelle citation au Golden Globe. Les années 90 marquent un tournant dans la carrière de l'acteur, qui partage son temps entre le cinéma (Serial Mother de John Waters en 1994 ou le film d'action Haute Trahison en 1997) et la télévision, avec notamment la série Law and Order qui lui vaut de nombreuses récompenses. Plus discret à l'aube de l'an 2000, Sam Waterston retrouve James Ivory en 2003 pour Le Divorce.
