Sam Waterston studierte zunächst an der Sorbonne in Paris. Danach ließ er sich zum Schauspieler ausbilden und arbeitete in den folgenden Jahren zunächst als Theaterschauspieler in New York City. Mitte der 1960er-Jahre folgten erste Film- und Fernsehrollen, die ihn aber zunächst nicht sonderlich bekannt machten. Erst mit seiner Rolle als Nick Carraway in der Literaturverfilmung Der große Gatsby (1974) erregte er breitere Aufmerksamkeit und wurde für einen Golden Globe Award als Bester Nachwuchsdarsteller nominiert.
Im Fernsehen konnte sich Waterston ebenso durchsetzen. Eine erste Nominierung für den Emmy Award erhielt er für seine Mitwirkung in dem FernsehfilmDie Glasmenagerie (1973) an der Seite von Katharine Hepburn nach dem gleichnamigen Bühnenstück von Tennessee Williams, später folgte eine weitere Emmy-Nominierung für die Serie I’ll Fly Away (1991–1993). Für seine Rolle in dieser Serie gewann Waterston 1993 einen Golden Globe Award. Seine wohl bekannteste Fernsehrolle wurde die des Staatsanwaltes Jack McCoy in der Serie Law & Order[1], die er von 1994 bis 2010 in 368 Episoden verkörperte. Hierfür war er dreimal für einen Emmy nominiert. Seit 2022 ist er bei Law & Order wieder in der Rolle des Staatsanwaltes McCoy zu sehen. Außerdem spielte er von 2015 bis 2022 an der Seite von Jane Fonda, Lily Tomlin und Martin Sheen eine der Hauptrollen in der Netflix-Sitcom Grace and Frankie.
Seit 1976 ist er in zweiter Ehe mit Lynn Louisa Woodruff verheiratet. Die beiden haben drei gemeinsame Kinder. Seine Kinder James Waterston (* 1969, aus erster Ehe), Elisabeth Waterston (* 1976) und Katherine Waterston (* 1980) sind ebenfalls Schauspieler.
