Родилась 4 мая 1934 г. в Ленинграде (ныне — Санкт-Петербург). Отец — Евгений Валерианович Самойлов (1912-2006), известный советский актер, народный артист СССР, мать — Зинаида Ильинична Левина (1914-1995), по профессии инженер. В 1937 г. семья переехала в Москву. В школьные годы Татьяна Самойлова занималась в балетной студии при театре им. Станиславского и Немировича-Данченко.
В 1956 г. Татьяна Самойлова окончила Театральное училище им. Б. В. Щукина (ныне — Театральный институт им. Бориса Щукина при Государственном академическом театре им. Евг. Вахтангова), в 1959 г. — Государственный институт театрального искусства им. А. В. Луначарского (ныне — Российский институт театрального искусства — ГИТИС), курс Сергея Юткевича.
В 1958 г. была принята в Театр им. Вл. Маяковского, играла Лилю Брегман в спектакле «Дальняя дорога» по одноименной пьесе Алексея Арбузова.
В 1959 г. перешла в Театр им. Евг. Вахтангова, где проработала до 1960 г. В 1967-1992 гг. служила в Театре-студии киноактера. Играла в спектаклях «Таня» (роль Тани) по пьесе Алексея Арбузова, «Красное и черное» (госпожа де Реналь) по роману Стендаля, «Гроза» (Катерина) по пьесе Александра Островского. Также сотрудничала с Театром современной пьесы, «Современником», Московским литературно-драматическим театром ВТО (Всероссийского театрального общества, ныне — Союз театральных деятелей РФ), Московским музыкальным театром под руководством Геннадия Чихачева.
В 1955 г. Татьяна Самойлова дебютировала в кино в роли Марии в картине по рассказу Джека Лондона «Мексиканец» режиссера Владимира Каплуновского.
В 1957 г. сыграла одну из самых значительных своих киноролей — Веронику в картине Михаила Калатозова «Летят журавли» по пьесе Виктора Розова «Вечно живые».
В 1958 г. эта лента получила «Золотую пальмовую ветвь» 11-го Каннского фестиваля. Она остается единственным отечественным фильмом, удостоенным данной награды.
Татьяна Самойлова была отмечена специальным дипломом за лучшую женскую роль и премией жюри «Апельсиновое дерево».
После успеха в Канне актрису приглашали в Голливуд сниматься вместе с французским актером Жераром Филипом в фильме «Анна Каренина». Однако руководство Госкино не отпустило ее на съемки.
В 1959 г. Татьяна Самойлова вновь снялась у Михаила Калатозова в романтической драме «Неотправленное письмо».
В 1967 г. актриса сыграла роль Анны Карениной в экранизации одноименного романа Льва Толстого режиссера Александра Зархи.
Также Татьяна Самойлова снималась в фильмах «Альба Регия» (1961) Михая Семеша, «Они шли на Восток» (1964) Джузеппе Де Сантиса и Дмитрия Васильева, «Возврата нет» (1973) Алексея Салтыкова, «Бриллианты для диктатуры пролетариата» (1973) Григория Кроманова, «24 часа» (2000) Александра Атанесяна, «Московская сага» (2004) Дмитрия Барщевского, «Нирвана» (2008) Игоря Волошина и др.
Всего исполнила роли в более чем 20 кинокартинах и сериалах.
В 1990 г. Татьяна Самойлова была почетным гостем 43-го Каннского фестиваля, где ей присудили специальную премию за творческий вклад в искусство кино.
Умерла 4 мая 2014 г., в день своего 80-летнего юбилея, в Москве, похоронена на Новодевичьем кладбище.
Народная артистка РФ (1992). Награждена орденами «Знак Почета» и Почета (2009).
Лауреат премии Национальной академии кинематографических наук «Золотой Орел» (2002). Обладательница специального приза Московского международного кинофестиваля (2007; за выдающийся вклад в мировой кинематограф).
Официально была замужем трижды: в 1956-1958 гг. — за актером театра и кино, народным артистом СССР Василием Лановым, в 1958-1968 гг. — за писателем, журналистом и сценаристом Валерием Осиповым, в 1968-1973 гг. — за администратором и режиссером Театра-студии киноактера Эдуардом Машковичем. Кроме того, в 1964-1967 гг. состояла в незарегистрированном браке с писателем, журналистом и режиссером Соломоном Шульманом.
От брака с Эдуардом Машковичем есть сын Дмитрий Самойлов (род. 1969). Он работает врачом-рентгенологом, проживает в США.
Папик — автор статьи
Мой дед Антип Самоха и я Владимир Петрович Самоха пишем вам статьи из славного города Краснодара