Samuel Sánchez González nasce ad Oviedo il 5 febbraio 1978. Passato professionista nel 2000 con la Euskaltel-Euskadi, corre ancora oggi con la stessa squadra, risultando uno dei pochissimi atleti non baschi a gareggiare per il team basco. Si fa notare nel finale della Milano-Sanremo 2002 quando, con uno scatto sul Poggio, rimane in testa per un buon tratto di salita, e anche alla Liegi-Bastogne-Liegi 2003 seguendo Armstrong in una dispendiosa fuga a una ventina di chilometri dal traguardo e riuscendo comunque a conquistare un piazzamento nei primi dieci.
E' un corridore completo: oltre ad una buona tenuta in salita, l'asturiano affianca un discreto spunto veloce e delle ottime doti di passista che gli hanno permesso di cogliere finora numerose vittorie, tra cui cinque tappe alla Vuelta a España (in cui è arrivato terzo nel 2007), il Campionato di Zurigo e numerosi piazzamenti di spicco, sia nelle brevi corse a tappe che nelle classiche in linea; tra queste vi è anche il il mondiale del 2006 a Salisburgo, in cui si mise in luce con uno scatto a 700-800 metri dal traguardo che favorì la vittoria di Paolo Bettini e gli permise di giungere quarto.
Nel 2008 concentra la preparazione sulla seconda parte di stagione, specialmente sul Tour de France trascurando quindi le classiche di primavera. Al Tour va male sui Pirenei ma si riscatta sulle Alpi giungendo secondo nella tappa dell'Alpe d'Huez dietro a Carlos Sastre e ottiene il 7° posto in classifica generale.
Il 9 agosto del 2008 ottiene la vittoria più prestigiosa della sua carriera conquistando la medaglia d'oro olimpica nella gara in linea delle Olimpiadi di Pechino 2008 precedendo in una volata ristretta l'italiano Davide Rebellin e lo svizzero Fabian Cancellara.
Nel 2009 corre un'ottima Vuelta a Espana, chiudendo al secondo posto, in classifica generale, dietro il connazionale Alejandro Valverde .Ai mondiali di ciclismo di Mendrisio è protagonista e chiude quarto. E' secondo al Giro di Lombardia battuto in uno sprint a due da Philippe Gilbert.