Diplômé de la prestigieuse Université de Princeton en écologie et biologie, Sam Page se tourne finalement vers le métier d'acteur. Il commence en 1999 par des rôles dans les séries Popular et 7 à la maison, avant d'embrayer sur deux films d'horreur sortis directement en vidéo, "Prison of the Dead" et The Brotherhood (2000). La même année, il participe au soap de MTV Undressed, puis obtient un rôle dans quelques épisodes de La force du destin. Après un nouveau rôle plus important dans Mes plus belles années (2003), il s'établit à Point Pleasant (2005) où il incarne Jesse, un jeune maître-nageur qui succombe au charme de Christina (Elisabeth Harnois) après l'avoir sauvée. Treize épisodes plus tard, la série est annulée et l'acteur joue les guest-stars dans Les Experts : Miami (2005) avant de rejoindre James Woods dans la 1ère saison de Shark (2006) pour 22 épisodes.

Acteur dévoué au petit écran, Sam enchaine les séries à un rythme d'une précision chirurgicale. Il intègre la saison 2 du phénomène Mad Men en 2008 dans le rôle du petit ami de Christina Hendricks. La même année, c'est sur Greek et Desperate Housewives qu'il jette son dévolu. Dans cette dernière, l'acteur interprète un personnage sombre lié à la famille de Bree Van de Kamp. En 2010, il bat son propre record et participe à 5 séries télévisées différentes dont Lie to Me, Castle et Gossip Girl dans laquelle il entretient une relation passionnée avec le personnage de Blake Lively. Son palmarès de séries s'agrandit toujours plus rapidement : ainsi, il participe successivement à Switch, Client List, Scandal, Stalker et House of Cards où il campe Connor Ellis.

L'année 2015 est synonyme de changement puisqu'il décroche enfin un rôle dans le film de science fiction Renaissances porté par Ryan Reynolds.