Fils d'acteurs, Sam Rockwell débute sa carrière à 10 ans aux côtés de sa mère. Après quelques apparitions à la télévision et au cinéma, dans le film d'horreur Clownhouse de Victor Salva, il s'installe à New York où il prend des cours de théâtre. Il faut attendre 1995 pour que sa carrière cinématographique décolle véritablement. Tournant à trois reprises sous la direction d'Alexandre Rockwell (Somebody to Love, Louis & Frank, 13 Moons), le comédien s'affiche dans de nombreux films indépendants dont Basquiat (1997) de Julian Schnabel, Box of Moonlight (id.) de Tom DiCillo ou encore Lawn Dogs où sa prestation est saluée aux Festivals de Montréal et de Barcelone.

Le grand public, lui, le découvre en prisonnier excentrique et surtout pédophile psychopathe dans La Ligne verte (2000). Loufoque dans Galaxy Quest (2000) ou Charlie et ses drôles de dames (id.), Sam Rockwell séduit la critique par ses prestations de doux dingue. Remarqué par George Clooney, celui-ci lui offre le rôle principal de sa première réalisation, Confessions d'un homme dangereux (2003). Composant des personnages peu recommandables dans les thrillers Braquages (2002) et Les Associés (2003), il peut également surprendre par la gravité et la sobriété de son jeu comme en témoignent ses performances dans le western dramatique L'Assassinat de Jesse James par le lâche Robert Ford (2007), le fantastique Joshua (id.) ou encore le drame familial Everybody's Fine (2008) aux côtés de Robert De Niro.

L'acteur continue de diversifier ses rôles en participant notamment à l'entrevue fictive entre le Président Nixon et un animateur de télévision populaire, mise en scène dans Frost / Nixon, l'heure de vérité de Ron Howard, tout en s'essayant au doublage pour le dessin animé des studios Disney Mission-G. En 2010, Rockwell se glisse dans la peau de Justin Hammer, le rival et nouvel ennemi de Tony Stark, dans la lucrative suite du blockbuster de Jon Favreau, Iron Man 2. Un an plus tard, il retrouve le réalisateur dans la très mal reçue adaptation du roman graphique Cowboys & envahisseurs.

Sam Rockwell renoue ensuite avec des personnages déjantés dans 7 Psychopathes (2013) du réalisateur de Bons baisers de Bruges Martin McDonagh et Blonde sur ordonnance (2014), où il campe un pharmacien décidant de donner du piment à sa petite vie tranquille en consommant régulièrement des médicaments. Le comédien s'adonne également aux joies du thriller avec Single Shot où il recroise le chemin de William H. Macy après Trust Me (2013) et Bienvenue à Collinwood (2002). Alternant projets indépendants et commerciaux, Rockwell tombe sous le charme de Keira Knighltey dans la comédie modeste Girls Only (2015), avant de donner sa chance au reboot de Poltergeist la même année.