Né en 1937, Sami Frey est le fils de parents juifs polonais immigrés en France.

Ceux-ci meurent en déportation dans un camp nazi.

D’après Brigitte Bardot, à qui il en fait la confidence, il ne doit sa survie qu’au fait que ceux-ci l’ont caché dans un panier à linge de la maison avant d’être emmenés.

En réalité, il doit sa survie à sa grand-mère Chaya Wolf qui l’a protégé lors de l’arrestation de sa mère.

Elle-même sera déportée.

Sami quitte Paris avec son grand-père Chraïm et après plusieurs pérégrinations ils arrivent à Rodez fin 1943 où se trouvent son oncle Marcel Gassouk et sa tante Françoise Wolf. Il ne les quittera plus jusqu’à sa majorité.

Sami Frey est le fils de Mendel Frei et de Perla Wolf, juifs polonais immigrés en France et morts en déportation lors de la Seconde Guerre mondiale. Sa langue maternelle est le yiddish.

Après l'arrestation de ses parents, Sami vit avec une partie de sa famille sous une fausse identité à Saint-Avit-les-Guespières (Eure-et-Loir), dans la maison du gardien du château dans lequel les Allemands se sont installés. Il va à l'école dans le village voisin de Saint-Denis-les-Ponts.

En 1944, lors d'une visite médicale, un médecin scolaire découvre que Sami Frey est juif. Ses proches et lui se réfugient alors à Rodez.

Élève de René Simon, il obtient dès 1960 un rôle clé dans La Vérité, film très attendu d'Henri-Georges Clouzot, avec Brigitte Bardot comme partenaire.

En 1966-1968, il participe à de nombreux spectacles mis en scène au Théâtre Antoine par Claude Régy, et contribue à la révélation en France du théâtre anglais contemporain, Harold Pinter en tête.

Au cinéma, il est choisi par des auteurs tels que Georges Franju (Thérèse Desqueyroux, en 1962), Michel Deville (L'Appartement des filles, 1963), Godard (Bande à part, 1964), Pollet (Une balle au cœur, 1965), Klein (Qui êtes-vous, Polly Maggoo ?, 1966), Rappeneau (Les Mariés de l'an II, 1970), Charles Belmont (L'Écume des Jours, 1968, Rak, 1972), Sautet, qui lui confie l'un des trois rôles principaux de César et Rosalie (1972) aux côtés d'Yves Montand et Romy Schneider, Adam (M comme Mathieu, 1973), Duras (Jaune le soleil, id.), Serreau (Pourquoi pas !, 1977), Miller (Mortelle Randonnée, 1983), Doillon (La Vie de famille, 1985), Rouffio (L'État de grâce, 1986), Drach (Sauve-toi, Lola, id.), Sanders-Brahms (Laputa, 1987), Delvaux (L’Œuvre au noir, 1988), von Trotta (L'Africana, 1990).

En 1974, Sami Frey réalise le making-of en noir et blanc de Jeanne Dielman, 23, quai du commerce, 1080 Bruxelles de Chantal Akerman.

Vie privée
À la suite du film La Vérité en 1960, Sami Frey quitte sa compagne l'actrice Pascale Audret, sœur de Hugues Aufray, pour vivre un amour passionné avec sa partenaire Brigitte Bardot, mariée à l'époque avec Jacques Charrier.

Il a été par la suite le compagnon de la comédienne Delphine Seyrig.