Татьяна Самойлова родилась в семье актера Театра Мейерхольда Евгения Самойлова. В детские года будущая актриса занималась в балетной студии при Театре имени Станиславского и Немировича-Данченко. Но после школы выбрала обучение в Щукинском училище, а потом окончила еще и ГИТИС.
Автор сценария фильма «Летят журавли» драматург Виктор Розов видел актрису Елену Добронравову в роли Вероники. Студентку Самойлову на пробы ассистент по актерам Борис Фридман привел на всякий случай, но ее внешние данные и талант оценил режиссер Михали Калатозов, а также оператор Сергей Урусевский.
Розов поначалу своего мнения не изменил и требовал отдать главную роль в фильме Добронравовой, которая, кстати, до этого уже снималась в паре с Алексеем Баталовым в фильме «Большая семья». Но утвердили все равно Татьяну Самойлову.
Съемки актрисе дались непросто. Во время работы у нее обнаружили туберкулему легкого, но она не ушла на больничный, а продолжала работать на уколах. Однажды она потеряла сознание прямо в кадре, у нее диагностировали микроинфаркт, после чего ей прописали щадящий график работы.
Картина имела оглушительный успех – фильм «Летят журавли» получил в Каннах «Золотую пальмовую ветвь», а Самойлову на кинофестивале назвали самой скромной и очаровательной актрисой. При этом, в СССР фильм встретили более чем прохладно.
Через пару лет актрису пригласили во Францию сниматься в фильме «Анна Каренина» вместе с Жераром Филипом, но советские чиновники из Госкино отказали Самойловой в этой возможности.
В 1967 году Татьяна Евгеньевна сыграла Анну Каренину в советской экранизации Толстого, роль Вронского исполнил ее первый муж Василий Лановой.
Роли Вероники и Карениной стали главными в карьере Татьяны Самойловой, и сделали ее легендой советского кино. В 70-е годы актриса ушла из кино, и была забыта режиссерами, но не поклонниками.
О ней вспомнили только в конце 90-х годов, сняли несколько документальных фильмов. В 2004 году Самойлова сыграла в сериале «Московская сага», а еще через четыре года – в фильме «Нирвана». Всего на счету актрисы 18 ролей в кино.