Peu après avoir quitté le lycée, Samy Frey suit des cours d'art dramatique auprès de René Simon.
Lorsque le public découvre Sami Frey au cinéma dans La vérité(1960) de Henri-Georges Clouzot, l'acteur jouit déjà d'une carrière prolifique au théâtre. Il avait auparavant tenu des petits rôles dans Pardonnez nos offenses (1956) de Robert Hossein, Jeux dangereux (1958) de Pierre Chenal, La nuit des traqués (1959) de Bernard-Roland et Pleins feux sur l'assassin (1960) de Georges Franju. Regard sombre, visage émacié, mèche de cheveux noirs, Sami Frey apparaît dans des rôles dramatiques de jeune premier romantique, notamment dans Thérèse Desqueyroux (1962) de Georges Franju. Afin de se déprendre de cette image, il enrichit son registre en acceptant des rôles plus comiques (L'appartement des filles, 1963, de Michel Deville), voire loufoques (Qui êtes-vous, Polly Magoo ?, 1965, de William Klein ; Les mariés de l'an II, 1970, de Jean-Paul Rappeneau), mais son talent s'exprime surtout dans des rôles sensibles. Dans Rak (1971) de Charles Belmont, il assiste sa mère condamnée par un cancer. Il campe un prétendant entraîné dans un triangle amoureux dans César et Rosalie (1972) de Claude Sautet et un père de famille qui établit le contact avec sa fille grâce à la vidéo dans La vie de famille (1984) de Jacques Doillon. En 1993, il incarne le poète Antonin Artaud dans En compagnie d'Antonin Artaud de Gérard Mordillat.
Courts métrages 1984 | Oasis sous la mer | François Dupeyron |
| 1992 | Déménagement (Le) | Chantal Akerman |
Longs métrages| 1975 | Autour de Jeanne Dielman | Sami Frey |
| 1956 | Pardonnez nos offenses | Robert Hossein |
| 1958 | Jeux dangereux (Les) | Pierre Chenal |
| 1959 | Nuit des traqués (La) | Bernard-Roland |
| 1959 | Travail c'est la liberté (Le) | Louis Grospierre |
| 1960 | Vérité (La) | Henri-Georges Clouzot |
| 1961 | Cléo de 5 à 7 | Agnès Varda |
| 1961 | Disordine (Il) Le Désordre | Franco Brusati |
| 1961 | Gioventù di notte Jeunesse de nuit | Mario Sequi |
| 1961 | Sept péchés capitaux : L'Orgueil (Les) | Roger Vadim |
| 1962 | Thérèse Desqueyroux | Georges Franju |
| 1963 | Appartement des filles (L') | Michel Deville |
| 1963 | Juego de la verdad (El) Couple interdit | José María Forqué |
| 1964 | Bande à part | Jean-Luc Godard |
| 1964 | Costanza della ragione (La) Avec amour et avec rage | Pasquale Festa Campanile |
| 1965 | Angélique et le roy | Bernard Borderie |
| 1965 | Une balle au coeur | Jean-Daniel Pollet |
| 1966 | Qui êtes-vous Polly Maggoo ? | William Klein |
| 1967 | Écume des jours (L') | Charles Belmont |
| 1967 | Manon 70 | Jean Aurel |
| 1968 | Chasse royale (La) | François Leterrier |
| 1968 | Mister Freedom | William Klein |
| 1970 | M comme Mathieu | Jean-François Adam |
| 1970 | Mariés de l'an II (Les) | Jean-Paul Rappeneau |
| 1971 | Jaune le soleil | Marguerite Duras |
| 1971 | Journal d'un suicidé (Le) | Stanislav Stanojevic |
| 1971 | Paulina 1880 | Jean-Louis Bertuccelli |
| 1971 | Rak | Charles Belmont |
| 1972 | César et Rosalie | Claude Sautet |
| 1973 | Sweet Movie | Dusan Makavejev |
| 1974 | Jardin qui bascule (Le) | Guy Gilles |
| 1975 | Jeu du solitaire (Le) | Jean-François Adam |
| 1976 | Guerres civiles en France | François Barat, Vincent Nordon, Joël Farges |
| 1976 | Néa | Nelly Kaplan |
| 1977 | Ecoute voir | Hugo Santiago |
| 1977 | Pourquoi pas ! | Coline Serreau |
| 1977 | Une page d'amour | Maurice Rabinowicz |
| 1979 | Une rébellion à Romans | Philippe Venault |
| 1982 | Mortelle randonnée | Claude Miller |
| 1983 | Garde du corps (Le) | François Leterrier |
| 1983 | Little Drummer Girl (The) La Petite fille au tambour | George Roy Hill |
| 1984 | Vie de famille (La) | Jacques Doillon |
| 1985 | Été provisoire (L') | Samy Pavel |
| 1985 | Sauve-toi Lola | Michel Drach |
| 1985 | Unique (L') | Jérôme Diamant-Berger |
| 1986 | Black Widow La Veuve noire | Bob Rafelson |
| 1986 | État de grâce (L') | Jacques Rouffio |
| 1986 | Laputa | Helma Sanders-Brahms |
| 1987 | De sable et de sang | Jeanne Labrune |
| 1987 | Oeuvre au noir (L') | André Delvaux |
| 1988 | Deux Fragonard (Les) | Philippe Le Guay |
| 1990 | Africana (L') | Margarethe von Trotta |
| 1991 | Contre l'oubli : Alirio de Jesus Pedraza Becerra (Colombie) | Raymond Depardon |
| 1991 | Voix (La) | Pierre Granier-Deferre |
| 1992 | Hors saison | Daniel Schmid |
| 1993 | En compagnie d'Antonin Artaud | Gérard Mordillat |
| 1993 | Fille de d'Artagnan (La) | Bertrand Tavernier |
| 1993 | Traps | Pauline Chan |
| 1994 | Amour conjugal (L') | Benoît Barbier |
| 1995 | Menteurs (Les) | Elie Chouraqui |
| 1999 | Acteurs (Les) | Bertrand Blier |
| 2001 | Repentie (La) | Laetitia Masson |
| 2004 | Anthony Zimmer | Jérôme Salle |
| 2005 | Regista di matrimoni (Il) Le Metteur en scène de mariages | Marco Bellocchio |
| 2006 | Danse avec lui | Valérie Guignabodet |
| 2008 | Nuit de chien | Werner Schroeter |
| 2009 | Mensch | Steve Suissa |
| 2014 | Marguerite et Julien | Valérie Donzelli |
| 2016 | Numéro une | Tonie Marshall |