Tatjana Szamojlova 1934-ben Leningrádban, Jevgenyij Szamojlov híres színész és a lengyel származású Zinaida Levina mérnöknő gyermekeként született. Családja később Moszkvába költözött át.
Tatjana előbb a Sztanyiszlavszkij és Nyemirov-Dancsenko nevét viselő híres balettiskolát végezte el, majd 1956-ban a moszkvai Scsukin Színiiskolában szerzett színészi képesítést.
Ott ismerkedett meg első férjével, a később híressé vált Vaszilij Lanovojjal. Házasságuk mindössze 2 évig tartott. Szamoljova egyébként élete során négy alkalommal ment férjhez és mindannyiszor elvált.
Tatjana Szamojlovát Mihail Kalatozov orosz rendező fedezte fel a hazai és nemzetközi filmművészet számára, amikor felkérte az 1957-bne bemutatott Szállnak a darvak című romantikus háborús film női főszerepére.
A sztálini korszak utáni szabadabb filmkészítés jegyeit magán hordozó, az egyszerű emberi érzelmeket, hétköznapokat bemutató film az 1958-as cannes-i filmfesztivál Arany Pálma-díját nyerte el.
Szamojlovát a zsűri a "legelbűvölőbb és legszerényebb színésznőnek" tartotta, és ezért a francia sajtószövetség Narancs-díját adományozta neki.
Szamojlova Cannes után számos külföldi ajánlatot kapott, de a hazai hatóságok nyomásának engedve egyet sem fogadott el az Alba Regia című magyar filmen kívül. A színésznő Szemes Mihály rendező 1961-ben bemutatott munkájában egy szovjet felderítőnőt alakított, partnere Gábor Miklós volt.
A Szállnak a darvak utáni tíz évben az Alba Regiával együtt mindössze egy hazai és két koprodukciós filmben jutott szerep Szamojlovának. Az ötödik film, Lev Tolsztoj regényének feldolgozása, az 1967-es Anna Karenina címszerepe irányította ismét a hazai és a nemzetközi figyelmet a különleges orosz színésznőre.
Alekszandr Zahri filmjében Vronszkijt, Anna Karenina regénybeli szerelmét Szamojlova korábbi férje, Vaszilij Lanovoj játszotta.
A nagy siker ellenére az 1970-es években Szamojlova lényegében eltűnt a mozivászonról. A filmszínészek moszkvai színházában játszott. Az orosz színésznő a 2000-es években újra vállalt szerepeket: orosz televíziós sorozatokban, majd 2005-ben és 2008-ban egy-egy orosz mozifilmben is szerepelt.
