W grudniu 2012 roku Sampaoli został selekcjonerem reprezentacji Chile, zastępując na tym stanowisku swojego rodaka Claudio Borghiego. Jedną z jego pierwszych decyzji było przywrócenie do kadry pomijanego przez ostatniego szkoleniowca pomocnika Jorge Valdivii i namówienie na powrót do drużyny narodowej Davida Pizarro. Na stanowisku selekcjonera zadebiutował 15 stycznia 2013 w towarzyskim spotkaniu z Senegalem (2:1), a w tym samym roku zakwalifikował się z chilijską reprezentacją na Mistrzostwa Świata w Brazylii, notując w kwalifikacjach pięć zwycięstw, remis oraz porażkę i zajął premiowane awansem trzecie miejsce. W ankiecie przeprowadzonej przez FIFA został uznany najlepszym szkoleniowcem południowoamerykańskich eliminacji do Mistrzostw Świata 2014, pokonując José Pekermana (Kolumbia) i Alejandro Sabellę (Argentyna). Chile pod jego wodzą doszło do 1/8 finału Mistrzostw Świata 2014 w Brazylii polegając w tej fazie gospodarzom turnieju po rzutach karnych 3-2.Pod wodzą Sampaoliniego Chile zdobyło Copa América 2015 pokonując Argentynę w rzutach karnych 4-1. 19 stycznia 2016 Federacja piłkarska Chile poinformowała o rozwiązaniu za porozumieniem stron kontraktu Sampaoliniego.
27 czerwca 2016 roku hiszpański klub Sevilla FC ogłosił, że Sampaoli będzie nowym trenerem tego klubu.