W latach 1953–1956 uczyła się aktorstwa w Instytucie Teatralnym im. Borysa Szczukina. Tam poznała swojego przyszłego męża, aktora Wasilija Łanowoja (małżeństwo trwało sześć lat). Wtedy też zagrała Marię w Meksykaninie, ekranizacji opowiadania Jacka Londona. Dwa lata później zagrała Weronikę w głośnym filmie Lecą żurawie Michaiła Kałatozowa, za którą otrzymała nagrodę specjalną na międzynarodowym festiwalu filmowym w Cannes, a sam film uzyskał „Złotą Palmę” (film trafił tam dzięki sugestii ówczesnego młodego francuskiego operatora – Claude’a Leloucha, który przez dwa dni uczestniczył w jego kręceniu jako asystent reżysera). Inną ważną rolą w jej dorobku ekranowym była rosyjska adaptacja powieści Lwa Tołstoja Anna Karenina w ekranizacji Aleksandra Zarchi z 1967 roku. Pomimo doskonałej gry Samojłowej i zwrócenia na niego uwagi przez zachodni świat filmowy, obraz nie odniósł takiego sukcesu, jak Lecą żurawie z powodu niekorzystnych stosunków międzynarodowych pomiędzy „wschodem” i „zachodem” w 1968 roku.
W połowie lat 70. XX w. zniknęła z ekranu, by po dłuższej przerwie pojawić się znowu w 2000. W ostatnich latach życia żyła w skrajnej biedzie.
Zmarła w 2014 roku. Została pochowana na Cmentarzu Nowodziewiczym w MoskwieНоводевичье кладбище. Самойлова Татьяна Евгеньевна (1934-2014).