Принимал участие в Великой Отечественной войне 1941–1945 годов и был награжден орденом Отечественной войны II степени в 1985 году.
В 1948 году завершил обучение в Одесском театральном училище. С 1948 по 1968 год работал в театрах Одессы, Кемерова и Горького (сейчас Нижний Новгород). Будучи разноплановым артистом, он выделялся глубоким драматизмом, энергичным темпераментом и яркой органичностью. С 1968 по 1992 год служил в Московском академическом театре имени Владимира Маяковского, где сыграл такие роли, как Великатов («Таланты и поклонники» А.Н. Островского), Добротин («Мария» А.Д. Салынского; за эту роль получил Государственную премию РСФСР в 1972 году), Корзухин («Бег» М.А. Булгакова), Уэллер Мартин («Игра в джин» Д. Кобурна) и Табунов («Смотрите, кто пришёл!» В.К. Арро). В период с 1992 по 1999 год выступал в Московском драматическом театре имени Н.В. Гоголя, где исполнил роль Тайрона в пьесе Ю. О’Нила «Долгий день уходит в ночь». Всего на театральной сцене он создал около 250 образов.
С 1959 года начал сниматься в кино. Многие его герои — это люди с грубоватым характером, которые переживают жизнь напряженно и мучительно, но при этом сохраняют внутренний стоицизм. К таким ролям относятся: Северцев («И снова утро»), Савинков («Крах»), Нариманов («Звезды не гаснут»), Батарцев («Премия», Государственная премия СССР, 1976). В телефильмах он сыграл Емельяна Пугачева («Капитанская дочка») и отца Базарова («Отцы и дети», Государственная премия СССР, 1986).
Отрицательные персонажи в исполнении Самойлова отличались сложностью и неоднозначностью натуры, например, Анисимов в фильмах «Любовь земная» и «Судьба», а также шпион «дядя Вася» в телефильме «Судьба барабанщика». Он также мастерски исполнял острохарактерные роли эксцентричных персонажей, раскрывая в них типично русские, бесшабашно-юродивые черты: Назар Дума («Свадьба в Малиновке»; в составе комедийного ансамбля получил премию Всесоюзного кинофестиваля в Ленинграде в 1968 году), Афанасий Устюжанин («Сибириада»), помещик Кобелев («Проделки в старинном духе»), Троекуров («Благородный разбойник Владимир Дубровский»). Кроме того, актер неожиданно раскрылся в тонких лирических образах, таких как полковник Лажечников («Дикий мед») и учитель Сергей Иванович («Зимородок»).
