Samuel Le Bihan naît à Avranches et grandit à Plougastel-Daoulas (Bretagne) dans un milieu modeste. Jeune, il s’imagine devenir artiste peintre mais, au contact d’un professeur de français, il voit naître le désir de devenir comédien.

Il passe un an et demi au cours Florent et enchaîne sur un stage de Commedia dell’arte qui l’amène à jouer des spectacles de rue, mélange de travail de clown et mime burlesque où se mêlent jonglage et « crachage de feu ». Ce spectacle l’installe sur le parvis du centre Georges-Pompidou et le conduit à travers l’Europe.

Pour enrichir cette expérience théâtrale, il décide d’apprendre les textes classiques et rejoint l’école de la rue Blanche, puis le Conservatoire national supérieur d’art dramatique (CNSAD). Au bout d’un an, il part à New York, suivre quelques cours en auditeur libre à l’Actors Studio.

De retour en France, Samuel Le Bihan intègre en 1994 la troupe de la Comédie-Française. Pendant quatre années, il y défend les textes de Corneille, Racine, Hugo, Kleist, Feydeau et bien d’autres. La ministre française de la Culture de l’époque, Catherine Tasca, lui remet les insignes de chevalier des Arts et des Lettres.

C’est aussi à cette époque que le cinéma le découvre grâce à des réalisateurs comme Régis Wargnier, Bertrand Tavernier, Alain Corneau, et Tonie Marshall. Il quitte alors la Comédie-Française, mais revient très vite au théâtre en incarnant Stanley Kowalski dans la pièce Un tramway nommé Désir, mise en scène par Philippe Adrien avec pour partenaire Caroline Cellier. Pour cette prestation, il est nommé aux Molières dans la catégorie « Jeune espoir ».

Il devient Norbert, l’officier raisonnable de Capitaine Conan, pour lequel il est nommé aux Césars, et qui marque le début de sa carrière cinématographique. Puis viennent Vénus Beauté, pour lequel il obtient le prix Jean-Gabin, et Le Pacte des loups, qui le consacrent aux yeux du public.

Sa carrière est marquée par des comédies populaires, Restons groupés, Jet Set, Trois zéros, le cinéma d’auteur avec Catherine Breillat, Krzysztof Kieślowski, Laëtitia Masson, Émilie Deleuze, Anne Le Ny. Le cinéma de genre marque également son influence avec Total Western, Le Pacte des loups et Fureur, tout comme le polar avec Le Cousin.

En 2004, il collabore pour des productions américaines avec Robert De Niro, Harvey Keitel, Kathy Bates dans Le Pont du roi Saint-Louis, ainsi qu’avec Andie Mac Dowell et Tim Roth dans The Last Sign.

À partir de 2014, il rejoint la distribution de la série Alex Hugo sur France 2 dans laquelle il tient le rôle titre, celui d’un ancien grand flic marseillais qui décide de partir s’isoler dans les montagnes.

Parallèlement, il crée sa maison de production, « Frelon productions », avec laquelle il découvre et produit les spectacles de François-Xavier Demaison dont il est également un des auteurs.