Formé au VC Roubaix Lille Métropole, Samuel Leroux intègre l'ESEG Douai en 2013[1]. Les années suivantes, il se distingue en obtenant six victoires sur des courses régionales françaises et belges. Il se classe également quatrième de Paris-Mantes-en-Yvelines, une épreuve inscrite au calendrier de l'UCI Europe Tour[2].
En 2017, il rejoint le CC Nogent-sur-Oise, en division nationale 1[6]. Désormais sorti de la catégorie espoirs, il réalise sa meilleure saison chez les amateurs en gagnant onze courses, terminant également deuxième de la première édition du championnat des Hauts-de-France[7] ou neuvième de Paris-Mantes-en-Yvelines. Lors des Trois Jours de Cherbourg (élite nationale), il se classe quatrième du classement général, tout en ayant remporté la première étape au sommet de la montagne du Roule[8],[9].
Au premier semestre 2019, il se distingue en prenant part à plusieurs échappées. C'est notamment le cas lors de la première étape des Quatre Jours de Dunkerque où il s'empare du maillot blanc de meilleur jeune de cette course et le conserve durant deux jours[10]. Durant l'été, on le retrouve à l'attaque lors du Grand Prix Pino Cerami et de la première étape du Tour de Wallonie[11]. Il s'adjuge également le Grand Prix Lucien Van Impe, une kermesse professionnelle disputée à Erpe-Mere en Flandre-Orientale. Il succède à Oliver Naesen au palmarès de cette course[12]. Quelques jours plus tard, il se classe troisième du Grand Prix de la ville de Nogent-sur-Oise, remporté par son coéquipier Emiel Vermeulen. En septembre, il est à nouveau échappé lors du Grand Prix de Fourmies et termine second d'une autre kermesse professionnelle, le Textielprijs de Vichte, derrière Jannik Steimle[13]. Fin novembre, il devient le premier champion de France de VTT beach race[14].
Toujours membre de la formation Go Sport-Roubaix Lille Métropole l'année suivante, il remporte au mois de juin une étape et le classement général du Tour d'Eure-et-Loir[18]. En fin de saison, il s'adjuge un nouveau titre de champion de France de VTT beach race. Par contre, il ne parvient pas à conserver le titre de champion d'Europe de la spécialité[19].
Il s'illustre à plusieurs reprises sur des courses organisées en Belgique au premier semestre 2023. Il gagne notamment le Circuit du Pays de Waes et le Trophée Maarten Wynants, deux kermesses professionnelles, il se classe également deuxième de la Ruddervoorde Koerse derrière Edward Theuns. En France, il porte le maillot de leader du classement général des Quatre Jours de Dunkerque pendant une journée et remporte, comme l'année précédente, une étape du Tour d'Eure-et-Loir[20].
En début de saison 2024, il s’impose en étant échappé sur la quatrième étape de l’Étoile de Bessèges[21]. Il participe dans la foulée au Tour de Provence, mais est contraint à l'abandon après une chute lui ayant occasionné deux fractures[22].
Samuel Leroux estime être un coureur polyvalent, possédant une légère pointe de vitesse ainsi qu’une bonne facilité à se faufiler[23].