Татьяна Евгеньевна Самойлова родилась 4 мая 1934 года в Ленинграде в семье известного советского актера Евгения Самойлова. В 1937 году семья Самойловых переехала в Москву.
В 1953 году Татьяна поступила в Щукинское училище, где проучилась до 1956 года. Там же и встретила своего мужа Василия Ланового. Свадьба с Лановым состоялась во время съемок фильма «Мексиканец». Через несколько лет брак распался, но Татьяна считала себя тогда очень счастливой.
После окончания учебы снялась в фильме «Летят журавли». В 1958 году на Каннском кинофестивале фильм получил Золотую пальмовую ветвь. А актрису наградили дипломом за лучшую женскую роль и премию жюри «Апельсиновое дерево».
Приехав с фестиваля, Татьяна Самойлова поступила в Государственный институт театрального искусства в Москве. Работала в Театре им. Маяковского, а потом в Театре им. Вахтангова (до 1960 года).
В 1959 году она сыграла главную роль в фильме «Неотправленное письмо». После этого снималась в картинах «Леон Гаррос ищет друга», «Они шли на Восток», «Альба Регия».
На протяжении трех лет с 1964 года Татьяна Самойлова нигде не снималась, а в 1967 году была утверждена на роль Анны Карениной. После этой роли об актрисе вновь заговорили. Но предложений от режиссеров далее не последовало.
С середины 1970-х годов Самойлова перестала сниматься совсем. И только в 1999 году снялась в картине «Двадцать четыре». В 2004 году играла в эпизодах «Московской саги» и «Сен-Жермен».
Татьяна Самойлова имеет сына Дмитрия от брака с театральным администратором Эдуардом Мошковичем. Сын вместе с семьей уехал в Америку. Несмотря на то, что он обладает актерским талантом, он все же выбрал для себя медицину.