Débutant dans les films de genre CLOWNHOUSE de Victor Salva (1989), LES TORTUES NINJA de Steve Barron (1990) ou HAPPY HELL NIGHT de Brian Owens (1992), Sam Rockwell apparaît rapidement dans le cinéma décalé et indépendant.

Il visite ainsi DERNIÈRE SORTIE POUR BROOKLYN d'Uli Edel (1989), LIGHT SLEEPER de Paul Schrader (1992), DRUNKS de Peter Cohn (1995), GLORY DAZE de Rich Wilkes (1996), BASQUIAT de Julian Schnabel (1996), BOX OF MOONLIGHT de Tom DiCillo (1996), JERRY ET TOM de Saul Rubinek (1998), IN THE SOUP (1992), SOMEBODY TO LOVE (1994) et LOUIS & FRANK (1998) d'Alexandre Rockwell, où il prend du galon et épate avec une galerie de personnages hauts en couleurs.

Il commence à attirer les cinéastes et les productions de premier plan, avec CELEBRITY de Woody Allen (1998), LE SONGE D'UNE NUIT ÉTÉ de Michael Hoffman (1999), LA LIGNE VERTE de Frank Darabont (1999), GALAXY QUEST de Dean Parisot (1999), et le blockbuster féminin CHARLIE ET SES DRÔLES DE DAMES de McG (2000), où il s'amuse en méchant informaticien, avant d'accompagner Gene Hackman dans BRAQUAGES de David Mamet (2001) et Nicolas Cage dans LES ASSOCIÉS de Ridley Scott (2003).

Discret et exigeant, l'acteur épate d'aplomb et de sensibilité dans la peau de Chuck Barris, pour le sombre portrait CONFESSIONS D'UN HOMME DANGEREUX de George Clooney (2002), qui lui vaut honneurs et louanges.

Il continue d'alterner les genres, avec la comédie décalée BIENVENUE À COLLINWOOD d'Anthony et Joe Russo (2002), la farce futuriste H2G2 : LE GUIDE DU VOYAGEUR GALACTIQUE de Garth Jennings (2005), le western tragique L'ASSASSINAT DE JESSE JAMES PAR LE LÂCHE ROBERT FORD d'Andrew Dominik (2007), le thriller JOSHUA de George Ratliff (2007, photo), le drame SNOW ANGELS de David Gordon Green (2007), le détonant CHOKE de Clark Gregg (2008), le face à face FROST/NIXON de Ron Howard (2008) et les blockbusters IRON MAN 2 et COWBOYS & ENVAHISSEURS de Jon Favreau (2010-11).

Il prête également sa voix pour MISSION-G de Hoyt Yeatman (2009).