De 1983 à 1987, Samuel Labarthe a suivi les cours de Viviane Théophilidès, Michel Bouquet et Daniel Mesguich au Conservatoire National Supérieur d’Art Dramatique de Paris.

Depuis, il alterne les rôles au théâtre, au cinéma et à la télévision. Au théâtre, il a joué notamment dans des mises en scènes de Gérard Desarthe (Le Cid de Corneille, Partage de midi de Paul Claudel), Maurice Attias (Comme tu me veux de Pirandello), Jérôme Savary (L’Importance d’être constant d’Oscar Wilde), Patrice Kerbrat (Oncle Vania d’Anton Tchekhov, Ce qui arrive et ce qu’on attend et Un cœur français de Jean-Marie Besset, La Chatte sur un toit brûlant de Tennessee Williams), Jean-Jacques Zilbermann (The Shop around the Corner de Miklos Laszlo), Jacques Lassalle (Rue de Babylone de Jean-Marie Besset), Christophe Lidon (Pensées secrètes de David Lodge, Soie d’Alessandro Baricco), Luc Bondy (Le Tartuffe de Molière). Au cinéma, il a tourné sous la direction de Xavier Durringer dans La Conquête en 2010, de Claude Lelouch (Ces amours-là en 2010, And now, ladies and gentlemen en 2001), Diane Kurys (Sagan en 2008), André Téchiné (Les Égarés en 2002), James Ivory (Le Divorce en 2002), Patrice Leconte (Rue des plaisirs en 2001), Marie-France Pisier (Comme un avion en 2001), Frédéric Mermoud (Moka en 2016), Danièle Thompson (La Bûche en 1999), Patrick Chesnais (Charmant garçon en 1999), Claude Miller (L’Accompagnatrice en 1992)...

Il a également participé à de nombreux téléfilms et travaille dans le domaine du doublage ; il prête régulièrement sa voix à George Clooney ou Liam Neeson. Il a également joué dans plusieurs séries dont notamment Les Petits Meurtres d'Agatha Christie (2013-2020), ainsi que dans La Forêt de Julius Berg (2017) .Il a également interprété le Général de Gaulle, dans la mini-série De Gaulle, l’éclat et le secret de François Velle, en 2020.

Pensionnaire de la Comédie-Française entre septembre 2012 et mai 2015, il a interprété Alfred III dans La Visite de la vieille dame de Friedrich Dürrenmatt mis en scène par Christophe Lidon, Thésée, fis d’Égée, roi d’athènes dans Phèdre de Racine mis en scène par Michael Marmarinos, Valvert, Cuisinier, Poète, Musicien, Cadet, dans Cyrano de Bergerac d’Edmond Rostand mis en scène par Denis Podalydès et le Marquis dans La Critique de l’école des femmes de Molière mis en scène par Clément Hervieu-Léger, Les Estivants de Maxime Gorki mis en scène par Gérard Desarthe. Il a également lu L’Usage du monde de Nicolas Bouvier en octobre 2014 au Théâtre du Vieux-Colombier.

Au Théâtre de l’Odéon, il joue en 2016 dans Le Tartuffe mis en scène par Luc Bondy.