Татьяна Самойлова родилась 4 мая 1934 года в Ленинграде.
Дочь актёра Евгения Валериановича Самойлова (1912-2006) и инженера Зинаиды Ильиничны Левиной (1914-1995), польской еврейки, дочери Ильи Львовича и Розалии Григорьевны (в девичестве Паперной) Левиных. В 1937 году семья Самойловых переехала в Москву.
В школьные годы Татьяна Самойлова занималась балетом. Она окончила балетную студию при МАМТ имени К. С. Станиславского и Вл. И. Немировича-Данченко, и её даже приглашала учиться в балетную школу при Большом театре Майя Плисецкая, но тяга к драматическому театру оказалась сильнее. Татьяна, воспитанная на фильмах и спектаклях отца, всегда хотела стать только актрисой.
В 1953 году Татьяна Самойлова поступила в Театральное училище им. Б. Щукина, где училась до 1956 года. Там же она познакомилась с Василием Лановым, за которого затем вышла замуж.
В 1957 году снялась у Михаила Калатозова в фильме «Летят журавли». Фильм принес актрисе всесоюзную известность и стал ее лучшей киноработой.
В 1959 году снялась у Михаила Калатозова в романтической драме «Неотправленное письмо».
В 1967 году актриса сыграла роль в фильме «Анна Каренина» режиссёра Александра Зархи.
В 1967-1992 годах работала в Театре-студии киноактера, затем в Театре современной пьесы.
В 1990 году была почётным гостем 43-го Каннского кинофестиваля, где ей присудили специальную премию за творческий вклад в искусство кино.
В 1992 году получила звание народной артистки России.
В 1999 году снималась в кинофильме Александра Атанесяна «Двадцать четыре».
Жила в Москве. 16 июня 2009 года 75-летняя Самойлова ушла из дома, и через день нашлась в больнице № 83, в отделении пульмонологии.. В начале августа 2011 года актриса уже во второй раз потерялась в Москве. Сотрудники организации «Служба милосердия» начали бить тревогу после того, как Самойлова на протяжении недели не выходила на связь и дома её также не было. К поискам актрисы подключилась московская полиция. Ближе к вечеру 18 августа актрису нашли в одной из московских больниц.
В апреле 2013 года была участником программы «Говорим и показываем» (НТВ) о нынешней жизни некогда известных артистов.
Лауреат премии Национальной академии кинематографических наук «Золотой Орёл» (2002 г.).
В день своего 80-летнего юбилея, 4 мая 2014 года, актриса была госпитализирована в отделение реанимации Боткинской больницы в тяжёлом состоянии с ишемической болезнью сердца и гипертонией. Скончалась в тот же день в 23:30 по московскому времени.
Прощание с Татьяной Самойловой прошло 7 мая 2014 года в московском Доме кино, похоронили актрису в этот же день на Новодевичьем кладбище.
Памятный отпечаток рук Т. Самойловой на площади у Дворца фестивалей и конгрессов в Каннах.
Звёздная роль Татьяны Самойловой в кино - роль Вероники в картине Михаила Калатозова «Летят журавли» по пьесе Виктора Розова «Вечно живые». Героиня Самойловой - вчерашняя беспечная московская школьница, потерявшая в годы Великой Отечественной войны своих родителей. Её жених уходит на фронт, а двоюродный брат жениха влюблён в Веронику. Она, уступив его настойчивости, выходит за него замуж. Вероника продолжает ждать жениха, не зная что он погиб в первые дни войны. Фильм стал лауреатом «Золотой пальмовой ветви» Каннского кинофестиваля, а Татьяна Самойлова стала звездой советского экрана.
После фестиваля Татьяна Самойлова возвратилась в Москву, поступила в ГИТИС. Была принята в Театр имени В. В. Маяковского, затем перешла в Театр имени Е. Б. Вахтангова, где работала до 1960 года.
После картины «Летят журавли» Татьяна сыграла лишь в нескольких фильмах и пропала с экранов. Второй раз о Татьяне заговорили после выхода на экран фильма Александра Зархи «Анна Каренина», где ею была сыграна главная роль.
Одно из ярких появлений в кино в новое время - в фильме «Нет смерти для меня», в котором Татьяна Самойлова рассказывает о своей сегодняшней жизни, об одиночестве и разлуке с сыном.