Татьяна Евгеньевна Самойлова родилась в семье известного актера Евгения Самойлова. В 1937 году семья переехала в Москву. В школьные годы Татьяна занималась балетом, окончила балетную студию при МАМТ, но тяга к драматическому театру оказалась сильнее. В 1953 году поступила в Щукинское училище, где проучилась до 1956 года.
Еще будучи студенткой, дебютировала в кино, сыграв роль в картине «Мексиканец». После окончания учебы снялась в фильме «Летят журавли», который стал для нее «звездным». В 1958 году фильм на Каннском кинофестивале получил Золотую пальмовую ветвь, за роль в нем Самойлову наградили дипломом за лучшую женскую роль и премией жюри «Апельсиновое дерево». Она стала звездой советского экрана.
После фестиваля поступила в Государственный институт театрального искусства в Москве, работала в Театре им. Маяковского и Театре им. Вахтангова. После «Летят журавли» сыграла в нескольких картинах и пропала с экранов. Второй раз о ней заговорили после выхода фильма А. Зархи «Анна Каренина».
Затем снялась в нескольких фильмах, но с середины 1970-х годов перестала сниматься. В 1999 году снялась в картине «Двадцать четыре». В новом тысячелетии снялась в нескольких фильмах, особенно яркой стала ее работа в картине «Нет смерти для меня».
Татьяна Евгеньевна была замужем четыре раза, ее единственный сын — Дмитрий, который сейчас живет в США.
Скончалась 4 мая 2014 года в отделении Боткинской больницы. Похоронили актрису на Новодевичьем кладбище.
