Formée à la comédie au Central Junior Television Workshop, Samantha Morton fait sa première apparition marquante en 1991 alors qu'elle n'a que 13 ans, dans la série britannique "Soldier Soldier". Elle devient dès lors une habituée des studios de télévision anglais et tourne dans d'autres productions du petit écran comme "Band of Gold" (1995), "Emma" (1997), où elle donne la réplique à Kate Beckinsale, "Jane Eyre" (id.), où elle joue le rôle-titre, ou encore "The History of Tom Jones" (id.).
Après un court métrage intitulé "The Future Lasts a Long Time" en 1996, Samantha Morton connaît son premier grand succès critique grâce à Under the Skin de Carine Adler, une prestation qui lui vaut le Prix d'interprétation de la Boston Society of Film Critics et une citation au British Independent Award.
En 1999, Samantha Morton est contactée par Woody Allen pour rejoindre la troupe de Accords et désaccords. En jouant la compagne muette de Sean Penn, elle décroche sa première nomination aux Oscars. La même année, elle enchaîne avec Jesus'son, un drame d'Alison MacLean dans lequel Billy Crudup tombe amoureux d'elle, et Dreaming of Joseph Lees d'Eric Styles, où elle fait preuve une fois de plus de romantisme et de fragilité. Elle devient mère en 2000, à 22 ans, de son compagnon du moment, Charlie Creed-Miles, quelle quittera cette même année. Elle joue par la suite pour diverses productions, sous la direction de Julien Temple dans Pandemonium, un film sur la collaboration de deux figures importantes de la poésie anglaise, Coleridge et Wordsworth, ainsi que sous celle d'Amos Gitaï pour Eden (2001), l'histoire d'une jeune fille juive immigrée en Palestine durant la Seconde Guerre mondiale. Elle retourne ensuite aux Etats-Unis pour partager avec Tom Cruise l'affiche de son premier blockbuster, Minority Report (2002), un film de science-fiction de Steven Spielberg dans lequel elle incarne Agatha, une des trois Precogs capables de prédire les crimes futurs.
Revenant à un registre plus intimiste, elle enchaîne les tournages du Voyage de Morvern Callar, présenté à la Quinzaine des Réalisateurs en 2002, et de In America, un drame de Jim Sheridan dans lequel elle interprète une mère de famille irlandaise émigrée aux Etats-Unis. On la retrouve par ailleurs dans des films d'époque comme Rochester, le dernier des libertins (2006) et Elizabeth : l'âge d'or (2007), mais de cette période on retiendra surtout sa troublante composition de Deborah Curtis, la compagne du chanteur de Joy Division, dans le biopic Control (2007). Cette même année, ainsi que la suivante, elle est présente au Festival de Cannes, dans la catégorie un Certain Regard pour Mister Lonely, d'Harmony Korine, puis en compétition pour Synecdoche, New York de Charlie Kaufman. Elle avait pourtant été gravement blessée en 2006 après la chute d'un important morceau de plâtre du 17ème siècle sur son crâne, causant un accident vasculaire cérébral. Elle enchaîna sa rééducation physique et vocale avec le tournage de ce dernier film, sans prendre de pause supplémentaire.
Changeant de registre, elle est en tête d'affiche avec Steven Mackintosh dans le film d'horreur Daisy (2008). C'est à peine quatre mois après avoir donné naissance à sa fille Edie qu'elle retourne sur le plateau pour jouer dans The Messenger (2009), drame où elle donne la réplique à Ben Foster. Elle fait, cette même année 2009, ses débuts en tant que réalisatrice dans le téléfilm The Unloved, écrit avec la collaboration de Tony Grisoni. Le film, qui ouvre le festival annuel de Toronto, remporte par ailleurs un BAFTA pour sa mise en scène.
Sa carrière se ralentit alors quelque peu, du fait de ses activités sociales. Samantha se bat en effet pour la conservation d'un centre destiné aux jeunes en difficulté, à Nottingham, à partir de 2009, ayant elle-même été pendant un temps dépendante de ce type d'établissement après le divorce de ses parents. Elle accouche par ailleurs de son troisième enfant en 2012. On la retrouve à partir de cette même année sur le petit écran, dans la série animée "Max et Ruby", où elle double le personnage féminin éponyme. Alors qu'elle devait à l'origine incarner la voix de l'intelligence artificielle de Her, réalisation de Spike Jonze, le doublage qu'elle enregistre pour le film sera finalement délaissé au profit de celui de Scarlet Johansson. Elle est cependant créditée en tant que productrice associée du film. On la retrouve en 2014 dans Mademoiselle Julie, de Liv Ullman, où elle partage la vedette avec Jessica Chastain et Colin Farrell.
L'année suivante elle est à l'affiche de la mini-série Panthers au côté de Tahar Rahim et poursuit avec la mini-série Rillington Place, consacrée au serial-killer John Christie. L'année qui suit on la retrouve au casting des Animaux fantastiques dans lequel elle incarne Mary Lou Bellebosse, la mère de Croyance (Ezra Miller) qui dirige la Ligue des Fidèles de Salem. La même année Samantha Morton est au casting de la série britannique Harlots, décrite par Variety comme "un mélange entre Downton Abbey et Game of Thrones". L'actrice incarne la tenancière d'un bordel dans le Londres en plein essor de 1760. La série a d'ailleurs été renouvelée pour une troisième saison.
En 2018, la comédienne britannique est annoncée au casting de la série de AMC The Walking Dead dans le rôle d'Alpha, la chef de l'effrayant groupe des chuchoteurs (des vivants qui se mêlent aux morts en imitant leur démarche afin d'attaquer les autres vivants). Un rôle pour lequel l'actrice n'a pas hésité à se raser la tête. Un arc narratif attendu par de nombreux fans des comics et qui devrait relancer la série qui continue de voir ses audiences chuter.