Samara Weaving est née le 23 février 1992 à Adélaïde en Australie-Méridionale, mais grandit à Singapour aux Fidji, en Indonésie. Son père, Simon Weaving, est cinéaste et directeur artistique du Festival international du film de Canberra. Sa mère, Héléna Bezzina est maltaise. Elle est la nièce de l'acteur Hugo Weaving. Elle va à l'école à Jakarta.

La famille finit par se réinstaller en Australie et elle s'inscrit alors à la Pittwater House School avant de suivre ses études secondaires à la Canberra Girls Grammar School.

Durant son temps libre, elle passe beaucoup de temps à jouer dans quelques courts métrages, des spectacles de danse et de théâtre. Elle se produit avec la Singapore Dance Company et le Canberra Youth Theatre.

Elle commence sa carrière à la télévision australienne et se fait remarquer grâce à ses participations aux séries télévisées Out of the blue et Summer Bay. Elle quitte son pays pour s'installer à Hollywood ou elle tourne dans de nombreux succès pour le petit et grand écran.

Au cinéma : elle est apparue au générique des films Three Billboards : Les Panneaux de la vengeance, The Babysitter  , Wedding Nightmare, The Valet ou dans le film choral Babylon de Damien Chazelle ou elle incarne la rivale de Margot Robbie. Ce dernier est un véritable succès critique et commercial en Europe.

À la télévision, elle est surtout connue pour son rôle de Claire Wood dans la mini-série Hollywood de Ryan Murphy qui réimagine le cinéma des années 1940. Elle a également des rôles réguliers dans des séries telles que Summer Bay, SMILF et Nine Perfect Strangers.

À la suite de sa participation à la série télévisée Ash vs. Evil Dead, elle poste une photo sur son compte Instagram, ensanglantée et devient, malgré elle, un canular. En effet, le cliché est détourné et partagé sur les réseaux sociaux, par des partisans de la droite américaine prétextant qu'il s'agit d'une supportrice de Donald Trump agressée après avoir affirmé son soutien au président des États-Unis. Soutenue par Bruce Campbell, l'actrice rétablit rapidement la vérité.

En mars 2019, elle annonce sur Instagram s'être fiancée avec le producteur Jimmy Warden. Le couple s'est rencontré pendant le tournage du film La Baby-Sitter, en 2016.