Enfant de déportés, Sami Frey est élevé par sa grand-mère. Adolescent, il s'inscrit au Cours Simon et, à 19 ans, apparaît pour la première fois à l'écran dans Pardonnez nos offenses de Robert Hossein (1956).Il accède à la notoriété en 1960 grâce à La Vérité de Clouzot dans lequel il incarne l'amant d'une Brigitte Bardot mise sur le banc des accusés -au succès du film s'ajoute une liaison à scandale entre les deux comédiens.

Jeune premier au charme ténébreux, Sami Frey tourne sous la direction des cinéastes en vogue dans les années 60 : Deville, Vadim, mais aussi Franju (Therese Desqueyroux) et Godard : il est aux côtés d'Anna Karina et Claude Brasseur l'un des joyeux truands de Bande à part en 1964. Autre mémorable trio, celui qu'il forme avec Romy Schneider et Yves Montand dans le film à succès de Claude Sautet, César et Rosalie, oeuvre subtile sur les atermoiements amoureux. A l'affiche de nombreux films d'époque, d'Angélique et le roy aux Mariés de l'an II, l'acteur apparaît également dans d'audacieuses comédies de moeurs (Pourquoi pas! de Coline Serreau) et dans les films iconoclastes du photographe William Klein.

S'il donne la réplique à Gérard Jugnot dans Le Garde du corps, Sami Frey s'illustre surtout dans des films d'auteur : père complice dans La Vie de famille de Doillon, il incarne un prieur dans L' Oeuvre au noir, adaptation de Yourcenar en 1988, avant de promener son air mystérieux dans l'onirique Hors Saison. Grand acteur de théâtre, il campe un saisissant Antonin Artaud pour Gerard Mordillat en 1993 et incarne un Aramis vieillissant dans La Fille de d'Artagnan de Tavernier. La jeune génération de cinéastes se montre elle aussi fascinée par le sexagénaire Sami Frey : confronté à une autre icône, Isabelle Adjani, dans La Repentie de Laetitia Masson en 2002, il se révèle plus énigmatique que jamais dans le thriller Anthony Zimmer en 2005.

A la suite, il incarne un prince italien pour Marco Bellocchio dans Le Metteur en scène de mariages, joue un abbé pour Valérie Donzelli dans Marguerite & Julien ou le père d'Emmanuelle Devos dans Numéro une de Tonie Marshall. En parallèle à ces projets à l'écran, Sami Frey est toujours régulièrement au théâtre, puis s'éloigne des planches en 2021.