Născută pe 4 mai 1934, la Leningrad (în prezent Sankt Petersburg), în familia actorului sovietic Evgheni Samoilov, Tatiana a luat lecţii de balet înainte de a începe o carieră în teatru, la fel ca tatăl ei.
În 1957, a interpretat rolul Veronika în drama "Zboară cocorii", regizată de Mikheil Kalatozishvili, un film salutat de critica internaţională şi care a devenit unicul lungmetraj sovietic recompensat cu trofeul Palme d'Or la Festivalul de la Cannes. Pentru acelaşi rol, Tatiana Samoilova a câştigat o menţiune specială şi a fost nominalizată la premiul BAFTA la categoria "cea mai bună actriţă străină".
După acel succes, Tatiana Samoilova a devenit actriţă în trupa Teatrului Maiakovski din Moscova.
În 1967, a realizat o revenire remarcabilă în cinematografie, interpretând rolul principal din filmul "Anna Karenina", o ecranizare a romanului omonim de Lev Tolstoi, regizată de Aleksandr Zarkhi.
În total, Tatyana Samojlova a jucat în 20 de filme.
Actriţă far al "dezgheţului cultural" din anii 1950-1960 produs în fosta URSS, Tatiana Samoilova a fost invitata de onoare a celei de-a 43-a ediţii a Festivalului de Film de la Cannes (1990), unde a fost primită cu ovaţii de publicul prezent la eveniment.