Татьяна Самойлова родилась 4 мая 1934 года в Ленинграде.
Дочь актёра Евгения Валериановича Самойлова (1912—2006) и инженера Зинаиды Ильиничны Левиной (1914—1995), польской еврейки[5], дочери Ильи Львовича и Розалии Григорьевны (в девичестве Паперной) Левиных[6]. 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[5], 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.
В 1959 году снялась у Михаила Калатозова в романтической драме «Неотправленное письмо».
В 1967 году актриса сыграла роль в фильме «Анна Каренина» режиссёра Александра Зархи.
В 1967—1992 гг. работала в Театре-студии киноактера, затем в Театре современной пьесы.
В 1990 г. была почётным гостем 43-го Каннского кинофестиваля, где ей присудили специальную премию за творческий вклад в искусство кино.
В 1992 г. получила звание народной артистки России.
В 1999 г. снималась в кинофильме Александра Атанесяна «Двадцать четыре».
Жила в Москве. 16 июня 2009 года 75-летняя Самойлова ушла из дома, и через день нашлась в больнице № 83, в отделении пульмонологии.[7]. 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 её также не было. К поискам актрисы подключилась московская полиция. Ближе к вечеру 18 августа актрису нашли в одной из московских больниц[8].
В апреле 2013 года была участником программы «Говорим и показываем» (НТВ) о нынешней жизни некогда известных артистов.[9]
Лауреат премии Национальной академии кинематографических наук «Золотой Орёл» (2002 г.).
В день своего 80-летнего юбилея, 4 мая 2014 года, актриса попала в больницу в тяжёлом состоянии с ишемической болезнью сердца и гипертонией. Скончалась в тот же день в 23:30 по московскому времени[10].
Прощание с народной артисткой России Татьяной Самойловой пройдет 7 мая в московском Доме кино, похоронят актрису на Новодевичьем кладбище, сообщил первый зампредседателя Союза кинематографистов России Сергей Лазарук.