Уотерстон родился в Кембридже, штат Массачусетс, и был третьим из четырёх братьев и сестёр. Его мать, Элис Такер (урождённая Аткинсон), была потомком колонистов с корабля «Мейфлауэр» и художником-пейзажистом, а его отец Джордж Чичел Уотерстон приехал в США из шотландского города Лейта и работал преподавателем иностранного языка, занимаясь также семантикой[2][3]. Уотерстон учился в Brooks School, школе-интернате в Северном Андовере, штат Массачусетс, где преподавал его отец, и Groton School в массачусетском Гротоне. В 1958 году поступил в Йельский университет и окончил его со степенью бакалавра искусств в 1962 году. Позже в течение нескольких месяцев учился в Clinton Playhouse. Уотерстон также посещал Парижский университет и Американский семинар актёров[источник не указан 636 дней].
Заметными в его кино-карьере стали роли индейского вождя Белого Быка в вестерне Энтони Харви «Крыло орла» (1979), а также американского репортера Сиднея Шенберга в политической драме Ролана Жоффе «Поля смерти» (1984, номинации на «Оскар», «Золотой глобус» и BAFTA).
В скетче передачи «Субботним вечером в прямом эфире» Уотерстон сыграл самого себя, выступив в качестве пресс-секретаря компании Old Glory Insurance, предлагающей защиту пожилым людям от атаки роботов[6].
Уотерстон озвучил доктора Каплана, психиатра Брайана Гриффина, в эпизодах Brian in Love и Road to Rhode Island мультсериала «Гриффины». Уотерстон также был рассказчиком в документальном фильме NBC «Большие гонки», повествующем о знаменитой победе в мужской эстафете 4×10 км на Зимних Олимпийских играх 1994 команды Италии, обогнавшей в последний момент команду Норвегии. В документальной ленте «Lewis & Clark: The Journey of the Corps of Discovery» Уотерстон говорил от лица Томаса Джефферсона, также он играл его роль в документальном фильме «Томас Джефферсон». Он также появился в первом эпизоде сериала «Хроники будущего» под названием Идеальный побег, сыграв человека, у которого подозревают синдром Корсакова.
Уотерстон регулярно появлялся в рекламе TD Ameritrade, где он заменил бывшего актёра «Закона и порядка» Стивена Хилла. Также принимал участие в озвучивании рекламы журнала The Nation.
Об Уотерстоне упомянула программа «Отчёт Кольбера», заявив, что «Сэм Уотерстон говорит вещи, которым вы никогда не должны верить, в заслуживающем доверия тоне». Сам актёр заявил, что, очевидно, очень убедительно говорит неправильные цитаты из фильмов.
Уотерстон в 2008 году сыграл Полония в постановке «Гамлета». Его игра получила отличные рецензии в нескольких газетах, в том числе и в The New York Times[7][8].
12 февраля 2009 года Уотерсон присоединился к торжествам по случаю двухсотлетия Авраама Линкольна в церкви Riverside в Нью-Йорке, организованным Aaron Copland School, Riverside Inspirational Choir и NYC Labor Choir. В музыкальном представлении Мориса Пересса по произведению Эрла РобинсонаThe Lonesome Train: A Music Legend for Actors, Folk Singers, Choirs, and Orchestra Уотерстон сыграл Линкольна[9].
7 января 2010 года на 7040—Голливудском бульваре Уотерстон был удостоен звезды на голливудской «Аллее славы».
Уотерстон был женат на своей первой супруге Барбаре Рутледж-Джонс Уотерстон с 1964 по 1975 год. Их сын Джеймс стал актёром (исполнитель роли Джерарда Питтса в «Обществе мёртвых поэтов»). Второй раз Сэм Уотерстон женился на бывшей модели Линн Луизе Вудрафф в 1976 году[11]. У них трое детей: дочери Кэтрин и Элизабет, которые также являются актрисами, и сын Грэм[12].
Сэм активно занимается благотворительной деятельностью, Уотерстон участвует в работе таких организаций, как Oceana, являясь там членом совета директоров, Refugees International, Meals on Wheels, United Way of America и Американской гильдии актёров-епископалов. Уотерстон является приверженцем Епископальной церкви[13]; он даже озвучил документальный фильм «Here Am I, Send Me» (1999) об их проповеднике Джонатане Дэниелсе.
Являлся представителем движения Unity08, которое безуспешно выступало против двухпартийной системы на президентских выборах в США в 2008 году[14]. Уотерстон заявил, что он был демократом, пока не вышел из партии после предвыборного ролика Линдона Джонсона «Дэйзи»[15]. Уотерстон также появлялся в печатных изданиях, телевизионных рекламных роликах для либерального журнала The Nation.