Владимир Яковлевич Самойлов родился 15 марта 1924 года в Одессе, на улице Уютной, 2. Согласно другой версии — в селе Егоровка (ныне в Раздельнянском районе Одесской области), откуда была родом его мать Евдокия. Со временем семья переехала в Одессу. Дом, где родился будущий актёр, сохранился до настоящего времени. Отец служил механиком на судне дальнего плавания.
Окончил школу в 1941 году. Участник Великой Отечественной войны. Ушёл добровольцем на фронт, где получил тяжёлое ранение, после которого всю жизнь хромал.
В 1945—1948 годах учился в Одесском государственном театральном училище. Ещё до его окончания начал играть в театре.
В 1945—1948 годах — актёр Одесского драматического театра Советской Армии Одесского военного округа (ныне — Львовский драматический театр имени Леси Украинки), в 1948—1951 — Одесского русского драматического театра имени А. Иванова, в 1951—1958 — Кемеровского областного театра драмы имени А. В. Луначарского, в 1958—1968 — Горьковского театра драмы имени М. Горького, в 1968—1992 — Московского драматического театра имени В. Маяковского, где работал большую часть жизни.
В 1992—1999 годах работал в Московском драматическом театре имени Н. Гоголя. Сыграл в театре около 250 ролей.
С 1959 года начал сниматься в кино. Сыграл более 100 ролей.
Владимир Яковлевич Самойлов скончался 8 сентября 1999 года (по другим источникам — 9 сентября) в Москве на 76-м году жизни от сердечного приступа, во время репетиции роли короля Лира в одноименной трагедии У. Шекспира.
Похоронен в Москве на Ваганьковском кладбище (участок 24).
