Samuel es licenciado y doctor en Química por la Universidad Autónoma de Barcelona (UAB). Ha realizado estancias de investigación en Holanda (Universidad de Twente), en Japón (International Center for Young Scientists y National Institute for Materials Science) y en Alemania (Leibniz Institute for Solid State and Materials Research de Dresde); en este último país, también ha sido investigador del prestigioso Instituto Max Planck de Sistemas de Inteligencia, en Stuttgart.

En 2012 ganó el Premio Guinness por desarrollar el motor de propulsión jet más pequeño del mundo, y en 2014 fue designado Innovador del Año por MIT Technology Review. En 2017 recibió, junto con su equipo de nanobiodispositivos del IBEC, una de las Ayudas a Equipos de Investigación que concede la Fundación BBVA en el área de Imagen Molecular, y en 2019 consiguió una de las prestigiosas Starting Grants otorgadas por el Consejo Europeo de Investigación (ERC, por sus siglas en inglés). Además, es autor de numerosos artículos científicos que se han publicado en reconocidas revistas nacionales e internacionales.

En 2022 fue reconocido con el Premio a la excelencia investigadora por la Real Sociedad Española de Química. Samuel Sánchez también es Premio Fundación Banco Sabadell a las Ciencias y a la Ingeniería.

Está impulsando una spin-off para la traslación de los nanorobots en aplicaciones contra el cáncer de vejiga.