Татьяна Самойлова родилась 4 мая 1934 года в Ленинграде. Дочь актёра Евгения Валериановича Самойлова (1912—2006) и инженера Зинаиды Ильиничны Левиной (1914—1994), 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 (её первый муж). Была также замужем за Солом Шульманом, брак продлился четыре года. Всего была замужем четыре раза, единственный сын — Дмитрий, который живёт в США.
16 июня 2009 года 75-летняя артистка 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 ее также не было. К поискам актрисы подключилась московская полиция. Ближе к вечеру 18 августа 2011 года актрису нашли в одной из московских больниц.
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, изменяет ушедшему на фронт любимому с его двоюродным братом. 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 заглавная 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.
Живёт и работает Татьяна Самойлова в Москве.