Nato il 5 novembre del 1968 a Daly City, in California, Sam Rockwell è uno degli attori più talentuosi e sottovalutati della sua generazione.
Rockwell è un figlio d'arte: sia il padre Pete Rockwell che la madre Penny Hess erano attori, che divorziarno quando il figlio aveva 5 anni costringendolo a fare la spola tra le loro nuove residenze: San Francisco e New York.
Ovviamente, comuncia a recitare giovanissimo, apparendo a soli 10 anni sul palcoscenico e in una miniserie tv al fianco della madre, ma è nel 1989 che arriva il suo debutto sul grande schermo: quello nell'horror indipendente di Victor Salva Clownhouse. Da quel momento in avanti Sam non abbandonerà più la recitazione, continuando a studiare e alternando piccole parti in tv e al cinema a lavori come sguattero o fattorino per il recapito a domicilio per grandi ristoranti.
Fu grazie a una pubblicità per una birra che, nel 1994, Sam Rockwell fu in grado di mettere da parte il gruzzolo necessario a concentrarsi solo sulla recitazione: ed ecco che nel 1996 appare nel Basquiat di Julian Schnabel e soprattutto nel film di Tom Di Cillo Box of Moonlight. Recita poi per Woody Allen in Celebrity e per Frank Darabont interpreta il ruolo di William "Wild Bill" Wharton, uno dei detenuti de Il miglio verde, uno dei tanti personaggi sgradevoli e fuori di testa cui ha dato vita nel corso della sua carriera, che gli varrà una nomination agli Screen Actors Guild Awards.
Nel 2000 Rockwell è un villain anche nel cartoonesco Charlie's Angels di McG, e nel 2002 ottiene finalmente il primo ruolo da protagonista assoluto: quello di Chuck Barris in Confessioni di una mente pericolosa, esordio registico di George Clooney, che gli vale un Orso d'argento come miglior attore al Festival di Berlino.
Subito dopo è Frank Mercer ne Il genio della truffa di Ridley Scott, e Zaphod Beeblebrox nel primo adattamento cinematografico di Guida Galattica per autostoppisti. Nel 2007 è protagonista del sottovalutato Snow Angels di David Gordon Green e appare in un ruolo importante ne L'assassinio di Jesse James per mano del codardo Robert Ford, e nel 2008 è Victor Mancini in Soffocare, adattamento del romanzo omonimo di Chuck Palhaniuk, e James Reston Jr. nel Frost/Nixon di Ron Howard, personaggio che gli vale un'altra nomination agli Screen Actors Guild Awards.
Arriviamo così al 2009 e a quello che, finora, è stato forse il ruolo ruolo migliore, e più intenso, assieme a quello del più recente A Single Shot, film finora inspiegabilmente inedito nel nostro paese : quello di Sam Bell, protagonista assoluto e praticamente unico di Moon, il film che ha segnato l'esordio nella regia di Duncan Jones.
Negli ultimi anni Sam Rockwell ha prestato il suo volto e il suo talento a personaggi intensi e sopra le righe come il Bronco di Gentlemen Broncos, il Justin Hammer di Iron Man 2, l'Owen di The Way, Way Back e il Billy Bickle del divertentissimo 7 psicopatici.
Proragonista maschile del nuovo Poltergeist, Rockwell sarà presto anche protagonista dell'annunciato Mr. Right, film sceneggiato da Max Landis nel quale interpreta il ruolo di un killer professionsita in fuga da chi lo vorrebbe eliminare, di cui però s'innamora perdutamente una candida Anna Kendrick.