Sam Riley grandit dans la petite ville de Menston en Angleterre. Après le lycée, il essaye de rentrer dans la prestigieuse London Academy of Music and Dramatic Art, mais il est refusé. Le jeune homme tente de nouveau sa chance dans une autre école réputée, la Royal Academy of Dramatic Art, mais là encore sans succès. Déçu mais pas abattu, il continue le métier d'acteur en enchaînant les petits rôles dans des productions théâtrales et télévisuelles.

En 2007, il se fait remarquer en tenant le rôle de Ian Curtis, le chanteur de Joy Division, dans le film Control. Les critiques sont élogieuses et Sam Riley se retrouve nominé au BAFTA du Meilleur espoir. Il devient alors une des jeunes stars britanniques les plus demandées, et tourne aux côtés d'Eva Green dans le film fantastique Dark World, pour ensuite côtoyer Helen Mirren dans le thriller Brighton Rock. En 2012, il poursuit dans le registre des projets originaux avec Sur la route, l'adaptation du roman culte de Jack Kerouac.

On le voit ensuite, durant les années 2010, dans Byzantium de Neil Jordan, les deux lucratifs blockbusters Disney Maléfique, le film d'époque Suite française, le western The Dark Valley, les comédies d'action Orgueil et Préjugés et Zombies et Free Fire, ainsi que le biopic Radioactive, où il campe le physicien Pierre Curie. Friand de thrillers, il joue dans Rebecca, Braquage final et surtout Islands. Dans ce dernier, le comédien de 45 ans incarne un coach de tennis dans un complexe hôtelier rencontrant une étrange famille.