Después de un pequeño cameo en Butch Cassidy y en The Sundance Kid, en 1969 fue elegido para formar parte del elenco de The Games, en 1970, de Lifeguard, en 1976, y de The Legacy, en 1979, por su sex appeal. En esta última trabajó codo con codo con su futura mujer Katherine Ross.

Sam Elliott empezó a rodar westerns y thrillers de acción, normalmente para televisión a finales de los años 70 y durante los 80. Entre sus rodajes más destacados se encuentran The Sacketts, en 1979, y The Shadow Riders, en 1982, para Turner Network, y The Mask, en 1985, un film romántico en el que trabajó junto a Cher y con el que se ganó una buen parte de fans femeninas. Aunque parezca mentira, incluso cuando el género del western fue practicamente avandonado en Hollywood, Sam continuó interpretando a vaqueros durante los 90, además de militares en algunas películas como Gettysburg y Tombstone, ambas en 1993. También produjo, co-escribió y comenzó a hacer una adaptación de Louis L'Amour's Conagher, en 1991, ganándose una nominación al Emmy y al Globo de Oro y ganando el Western Heritage Award y dedicando la película a L"Amour, que había pasado de largo durante todo ese tiempo.

Gracias a un pequeño cameo en la película de los hermanos Coen El Gran Lebowski, en 1998, Sam empezó a interpretar roles más diversos en la década posterior, por ejemplo, en Fail Safe, en el 2000, y en The Contender, también del 2000. En el 2003 participó en Off The Map. Posteriormente, el éxito de estas películas lo llevó a interpretar a otros personajes ya en superproducciones como Hulk o Ghost Rider. Sam también ha interpretado otros papeles con una gran carga moral, por ejemplo en Gracias por Fumar , en el 2005, y en Avenger, 2006. Actualmente acaba de terminar su trabajo en La Brújula Dorada, conde interpreta al aeronauta tejano Lee Scoresby, y tiene previsto estrenar en 2008 John Rambo, de Silvester Stallone.

En cuanto a su vida privada, reside con su mujer y su hija Cleo Rose Elliott en Malibu, California.