Von 1995 bis 1997 war Samuel Le Bihan Ensemblemitglied an Frankreichs berühmtem Nationaltheater La Comédie Française, seine erste Filmrolle spielte er bereits 1991 in Catherines Breillats "Schmutzige Engel" an der Seite von Claude Brasseur. Internationale Anerkennung gewann er mit seiner Darstellung in Krzysztof Kieslowskis "[mo.1994_drei_farben_rot:Drei Farben: Rot]", und drehte anschließend mit Oscargewinner Régis Wargnier den Film "Eine französische Frau".
1996 wurde Samuel Le Bihan für seine Rolle in Bertrand Taverniers "Hauptmann Conan und die Wölfe des Krieges" für den César als bester Newcomer nominiert. Alain Corneau besetzte Le Bihan 1998 in seinem gelungenen Polizeithriller "Jenseits aller Regeln", und Laetitia Masson in dem eher missratenen Drama "Zu verkaufen". 1999 schließlich gewann Le Bihan den Jean-Gabin-Preis für seine Darstellung in Tonie Marshalls "Schöne Venus", ebenfalls 1999 folgte das Psychodrama "Ein neues Leben" von Emilie Deleuze und 2000 stand er für die Komödie "Jet Set" an der Seite von Ornella Muti vor der Kamera. Eine exzellente darstellerische Leistung gab Bihan auch in dem auszeichneten historischen Abenteuerfilm "Pakt der Wölfe" (2001) von Christophe Gans an der Seite von Monica Belucci, und Audrey Tautou war seine Partnerin in Laetitia Colombanis Drama "Wahnsinnig verliebt" (2002).
Weitere Filme mit Samuel Le Bihan: "3 zéros", "Eine ganz private Affäre", "Der Kodex" (alle 2002), "Fureur", "Les clefs de bagnole" (beide 2003), "The Last Sign", "93, rue Lauriston", "Die Brücke von San Luis Rey" (alle 2004), "Exes", "Le passager de l'été" (beide 2006), "Public Enemy No. 1 - Todestrieb" (2008), "Hinterhalt in Afghanistan" (2010).