Il entre à l'ENSATT en 2003 où il travaille notamment avec Christian Schiaretti et Christophe Perton. En 2012, il intègre l'atelier scénario de la Fémis à Paris. Il est Talent Cannes Adami en 2007 et joue avec Lolita Chammah dans Oui, peut-être de Marilyne Canto. En 2008, Samuel Theis écrit et collabore à la mise en scène de Forbach, avec Marie Amachoukeli et Claire Burger. Le film à la frontière entre documentaire et fiction, qui s'inspire de l'histoire de la famille Theis et en fait jouer les véritables membres. Le film obtient le Grand prix national au Festival de Clermont-Ferrand 2009, ainsi que le 2ème prix au Festival de Cannes 2008 (Cinéfondation). Samuel Theis joue le critique Paulin dans Musée haut, musée bas, de Jean-Michel Ribes. Il est La Valette dans La Princesse de Montpensier un film de Bertrand Tavernier, avec Mélanie Thierry et Gaspard Ulliel dans les rôles principaux. Dans la série Un village français de Frédéric Krivine et Philippe Triboit, Samuel Theis interprète le rôle de Kurt, un officier de la Wehrmacht. En 2011, il met en scène au théâtre la pièce Juste la fin du monde, de Jean-Luc Lagarce. Le spectacle remporte les prix SACD et Théâtre 13 Jeunes metteurs en scènes. Entre juin et septembre 2013 il tourne son premier long métrage, Party Girl dans l'Est de la Moselle. Ce film est coréalisé avec Marie Amachoukeli et Claire Burger. L'ensemble des acteurs du film sont des non-professionnels habitant la Moselle et la Sarre. Le film s'inspire librement du personnage de la mère de Samuel Theis. Le film fait l'ouverture de la sélection Un certain regard au Festival de Cannes 20146. Il y remporte le Prix d'Ensemble à Un certain regard et la Caméra d'or.
PETITE NATURE, produit par Caroline Bonmarchand, est son deuxième long-métrage.
