Татьяна Самойлова родилась 4 мая 1934 года в Ленинграде в семье актёра Евгения Самойлова и инженера Зинаиды Левиной. Семья была достаточно большой, по отцу Татьяны дедушка работал на Путиловском (Кировском) заводе, бабушка была домохозяйкой. По материнской линии дедушка и бабушка были интеллигентами, польскими евреями.
Первая встреча 18-летней Зинаиды и 20-летнего Евгения произошла в санатории, когда Евгений со сцены клуба отдыха читал стихи. Их взгляды встретились и после этого момента Евгений в зале видел только её. Зинаида не долго проработала по специальности, после рождения дочери она посвящала себя только дому и семье. По словам Евгения, «без неё не было бы меня-актёра, вообще ничего не было бы».
В 1937 году семья переехала в Москву, Евгению предложили работу в театре им. В. Мейерхольда, причём самим основателем. Вряд ли кто-то тогда мог предположить, что по распоряжению свыше театр закроют в январе следующего года. Евгений после этого успел поработать и в Киевской киностудии, Московском театре Комедии, театре Революции. Во время войны работал в Тбилисской и Ереванской киностудиях. Татьяна Евгеньевна так вспоминала это время:
"Я хорошо помню, что такое война. В нашей семье все погибли. Со стороны отца, актера Евгения Самойлова, все погибли в блокаду: бабушка, прабабушка и дедушка. Со стороны мамы, Зинаиды Левиной - дед Илья Львович и бабушка Розалия Григорьевна".
"Мы были на Клязьме, сидели в землянке. Это было страшно. Москва вся была в огне, в зареве. Я помню, как мы с папой и режиссером Марком Донским шли в керосиновую лавку — все горело кругом. Трамваи стояли. Девочкой я это помню. Немец страшно бомбил. Мы уехали из Москвы в эвакуацию в конце 41-го года, пересекали Урал. Из нашей семьи уцелели только моя тетя, я, мама и папа. В 45-м родился мой брат Алексей Евгеньевич Самойлов".
Утешением семьи стало рождение второго ребёнка 8 ноября 1945 года, Алексей Самойлов продолжил актёрскую династию. А Татьяна усердно обучалась балету, но решила в итоге, как и отец - сниматься в кино.
В 1953 Татьяна поступила в театральное училище им. Б.Щукина, а в 1956 году Татьяна вышла замуж за Василия Ланового. Супруги прожили вместе несколько лет, но в 1967 году судьба свела их на съёмочной площадке. Татьяна блистательно сыграла Анну Каренину, а Василий — Алексея Вронского. Говорят, что причиной расставания стал большой объём работы и прерывание беременности из-за проблем со здоровьем Татьяны.
Ещё одной яркой ролью стала Вероника в фильме 1957 года «Летят журавли». Многие считают этот образ лучшей киноработой актрисы, фильм действительно прославил Татьяну. Хотя Хрущёв был категоричен, посчитав что это было против советской морали. Но к этому времени фильм уже был в списке Каннского фестиваля и там взял «Золотую пальмовую ветвь», а Татьяна стала обладательницей премии «Апельсиновое дерево» и звания за лучшую женскую роль.
На Западе по достоинству оценили талант актрисы, а вот дома в новые проекты её звать не торопились. Почти 3 года Татьяна ждала предложений, а в 1964 году она снялась в советско-итальянском фильме «Они шли на восток». За эту роль роль Татьяна получила приличные деньги, купила себе «Опель», нажила ещё больше завистников и ещё несколько лет провела в ожидании новой роли. В то время Татьяна была замужем. Вторым супругом был писатель Валерий Осипов. Татьяна признавалась, что он стал самой большой любовью её жизни. Но спустя 10 лет супруги расстались, супруги мечтали о ребёнке, но этого так и не случилось и супруги отдалились друг от друга.
В 1965 году Татьяна стала Заслуженной артисткой РСФСР. А в 1969 году, когда Татьяне было 35, родился сын Дмитрий от третьего супруга - режиссёра Эдуарда Мошковича. Спустя несколько лет этот союз распался.
Когда родился сын Митя, всё во мне будто перевернулось. Я стала иначе смотреть на мир. И поняла - актрисы, которые отказываются от того, чтобы иметь детей, многое теряют. Никакая любовь к искусству не стоит этого счастья — материнства! И теперь, ради того, чтобы чаще быть рядом с сыном, я готова была отказаться от любых съемок.
Не только воспитание сына стало обязанностью Татьяны, но и финансовое обеспечение семьи. Супруг не зарабатывал ничего, а через 2 года после рождения сына ушёл из семьи. В то же время Татьяна узнала, что опять беременна. Она посчитала, что не сможет обеспечивать себя и детей и прервала и эту беременность.
После «Анны Карениной», в 1972 году Татьяна снялась сразу в 3 картинах: короткометражном «Город на Кавказе», скандальном «Нечаянные радости» (плёнка была уничтожена ещё до завершения съёмок по приказу «Мосфильма» из-за расхождений с утверждённым сценарием), «Длинная дорога в короткий день», где Татьяна сыграла роль жены главного героя.
Дальше, в одном фильме за другим Татьяна продолжала появляться на экране. В 1973 году она сыграла донскую казачку в фильме «Возврата нет» с Нонной Мордюковой. В 1974 году был «Океан», а 1975 - «Бриллианты для диктатуры пролетариата».
Потом Татьяна исчезла с экранов почти на четверть века. Правда, в 1992 году она стала Народной артисткой РФ. Появилась на экранах уже в 2000м году, а потом в 2004, в нескольких эпизодах сериала «Московская сага». Было ещё пара малоизвестных фильмов. Последнее появление актрисы было в 2008, в фильме о проблемных подростках. Ещё она стала одной из нескольких актрис советской поры в дебютном документальном фильме режиссёра - Ренаты Литвиновой "Нет смерти для меня". Там Татьяна рассказывает о своей жизни, забвении, одиночестве и тоске по сыну. К тому времени скончались её родители. Зинаида Ильична в 1994м году, а Евгений Валерианович — в 2006 году.
С родным братом, Алексеем, Татьяна занималась подготовкой к экзаменам в театральное училище, и он поступил с первой попытки. В дальнейшем, Алексей участвовал в театральных постановках, и отказывался от некоторых кинокартин из-за проблем со здоровьем. Сначала он работал почти 15 лет в театре «Современник», а потом 30 лет в Малом театре. Первой женой Алексея была фигуристка Татьяна Тарасова, но вскоре брак распался. Второй супругой стала иностранка, и развод стал решением проблемы проживания супругов на две страны. Сейчас Алексей на пенсии, в третьем браке.
В 2009 году Татьяна Евгеньевна была удостоена Орденом Почёта, за большой вклад в развитие кинематографа.
Летом 2009 года Татьяна Евгеньевна вышла из дома и пропала. К счастью, на следующий день её нашли в больнице, в отделении пульмонологии. Такая же ситуация повторилась снова летом 2011 года, патронажная организация «Служба милосердия» начали искать актрису когда не смогли с ней связаться на протяжении недели, тогда они заявили в полицию, которая подключилась к поискам. Татьяну Евгеньевну снова нашли в одной из больниц.
Единственный сын Дмитрий сразу после получения медицинского образования уехал в Америку и там строит свою жизнь. С матерью общение сошло на нет, хотя он изредка навещал мать, а отца впервые за 40 лет увидел в эфире ток-шоу.
Накануне 80-летия артистки планировался большой юбилейный концерт в Доме кино. Но в день своего 80-летия, 4 мая 2014 года, у Татьяна Евгеньевна попала в реанимацию в тяжёлом состоянии с ишемической болезнью сердца и гипертонией. В тот же день, незадолго до полуночи, Татьяна Евгеньевна скончалась. Через несколько дней, в Доме кино состоялось прощание с Татьяной Самойловой.
Об этой актрисе ходит множество слухов и сплетен. Говорят, что она страдала многими болезнями и психологическими расстройствами, но близкие ей люди считали, что главной болезнью актрисы стало одиночество.