Sewall wurde am 28. März 1652 in Bishopstoke, Hampshire, England, als Sohn von Henry und Jane (Dummer) Sewall geboren. Sein Vater, Sohn des Bürgermeisters von Coventry, war 1635 in die nordamerikanische Kolonie Massachusetts Bay gekommen, wo er Sewalls Mutter heiratete und in den 1640er Jahren nach England zurückkehrte.
Nach der Wiederherstellung des englischen Throns durch Karl II. überquerten die Sewalls 1661 erneut den Atlantik und ließen sich in Newbury, Massachusetts, nieder. Dort wuchs der junge Samuel „Sam“ entlang des Parker River und des Plum Island Sound auf.
Wie andere Jungen aus der Gegend besuchte er die Schule im Haus von James Noyes, dessen Cousin, Reverend Thomas Parker, der Hauptlehrer war. Von Parker erwarb Sewall eine lebenslange Liebe zu Versen, die er sowohl in Englisch als auch in Latein verfasste. Im Jahr 1667 trat Sewall in das Harvard College ein, wo zu seinen Mitschülern Edward Taylor und Daniel Gookin gehörten, mit denen er eine dauerhafte Freundschaft schloss. Sewall erhielt seinen ersten Abschluss, einen BA, im Jahr 1671 und seinen MA im Jahr 1674. Im Jahr 1674 war er neun Monate lang Bibliothekar in Harvard und damit die zweite Person, die dieses Amt innehatte. In diesem Jahr begann er, ein Tagebuch zu führen, das er fast sein ganzes Leben lang beibehielt; es ist eines der wichtigsten historischen Dokumente seiner Zeit. Im Jahr 1679 wurde er Mitglied der Militärkompanie von Massachusetts.
Sewalls Beteiligung an den politischen Angelegenheiten der Kolonie begann, als er ein freier Bürger der Kolonie wurde, was ihm das Wahlrecht gab. Im Jahr 1681 wurde er zum offiziellen Drucker der Kolonie ernannt. Eines der ersten Werke, die er veröffentlichte, war John Bunyans The Pilgrim’s Progress. Nach dem Tod von John Hull im Jahr 1683 wurde Sewall an seiner Stelle in den Rat der Assistenten der Kolonie gewählt, ein Gremium, das sowohl als Oberhaus der Legislative als auch als Berufungsgericht fungierte. Er wurde auch Mitglied des Board of Overseers von Harvard.
Sewalls mündliche Prüfung für den MA war eine öffentliche Angelegenheit und wurde von Hannah Hull, der Tochter des Kolonialkaufmanns und Münzmeisters John Hull, bezeugt. Sie war offenbar von den Reizen des jungen Mannes angetan und verfolgte ihn. Sie heirateten im Februar 1676. Ihr Vater, der durch seine Arbeit als Münzmeister recht wohlhabend geworden war, schenkte dem Paar 500 Pfund in kolonialer Währung als Hochzeitsgeschenk. Der Biograf Richard Francis merkt an, dass das Gewicht dieses Geldbetrages, 125 Pfund (57 kg), ungefähr dem Gewicht der Braut entsprach, was zu Nathaniel Hawthornes Legende führte, dass das Geschenk ihrem Gewicht in Münzen entsprach. Sewall zog in das Haus seiner Schwiegereltern in Boston und war bald in die geschäftlichen und politischen Angelegenheiten der Familie eingebunden. Bis zu ihrem Tod im Jahr 1717 hatten er und Hannah vierzehn Kinder, von denen allerdings nur wenige das Erwachsenenalter erreichten.
Er engagierte sich auch in der Lokalpolitik und wurde zum stellvertretenden Richter ernannt. Im Jahr 1692 war er einer der neun Richter, die für das Gericht „Oyer and Terminer“ in Salem ernannt wurden, das die Aufgabe hatte, diejenigen aus der Stadt Salem und anderen Orten zu verurteilen, die der Hexerei beschuldigt wurden. Sein Tagebuch berichtet über viele der berühmtesten Episoden der Prozesse, wie den qualvollen Tod von Giles Corey unter der Folter, und spiegelt die wachsende öffentliche Verunsicherung über die Schuld vieler Angeklagter wider. Sewalls Bruder Stephen hatte in der Zwischenzeit sein Haus für eines der ursprünglich betroffenen Kinder, Betty Parris, Tochter des Pfarrers von Salem Village, Samuel Parris, geöffnet, und kurz darauf scheinen Bettys „Leiden“ abgeklungen zu sein.
Sewall war unter den an den Prozessen beteiligten Richtern vielleicht insofern am bemerkenswertesten, als er später seine Rolle bedauerte und sogar zu einem öffentlichen Tag des Gebets, des Fastens und der Wiedergutmachung aufrief. Nach der Auflösung des Gerichts wurde die Familie Sewall von dem heimgesucht, was Sewall für eine Strafe Gottes hielt. In den fünf Jahren nach den Prozessen starben zwei von Sewalls Töchtern und Hannahs Mutter, und Hannah brachte ein totgeborenes Kind zur Welt. Was Sewall davon überzeugte, dass er öffentlich Buße tun musste, war ein Zitat aus Matthäus 12,7: „Wenn ihr wüsstet, was das heißt: Ich will Barmherzigkeit üben und nicht opfern, so würdet ihr den Schuldlosen nicht verurteilen“. Nicht nur Sewalls häusliches Leben war erschüttert worden, sondern in den Jahren nach den Gerichtsverhandlungen erlebten die Menschen in Massachusetts Rückschläge und Gewalt, insbesondere die Navigationsgesetze, die Ausrufung des Neuengland-Dominions und der Krieg von König Philip. Er sah dies nicht als Zeichen dafür, dass es keine Hexerei gab, sondern dass er auf der Grundlage unzureichender Beweise geurteilt hatte. In seinem Tagebuch hält er fest, dass er am 14. Januar 1697 in dem von ihm besuchten Versammlungshaus aufstand, als sein Pfarrer sein Schuldbekenntnis verlas.
Im Jahr 1693 wurde Sewall von Gouverneur Sir William Phips zum beigeordneten Richter des Superior Court of Judicature, dem höchsten Gericht der Provinz, ernannt. Im Jahr 1717 wurde er von Gouverneur Samuel Shute zum Obersten Richter ernannt.
Sewall starb am 1. Januar 1730 im Alter von 77 Jahren in Boston, Massachusetts, und wurde in der Familiengruft auf dem Granary Burying Ground in Boston beigesetzt.
Sewall heiratete dreimal. Hannah Hull, seine erste Frau, starb 1717; zwei Jahre später, 1719, heiratete Sewall Abigail (Melyen) Woodmansey Tilley, die sieben Monate später starb. Im Jahr 1722 heiratete er Mary (Shrimpton) Gibbs, die ihn überlebte. Sein Neffe Stephen diente ebenfalls als Oberster Richter von Massachusetts, ebenso wie sein Urenkel Samuel. Seine Schwester Anne Sewall Longfellow (1662-1706) war die Ur-Ur-Ur-Großmutter des Dichters Henry Wadsworth Longfellow.