Sewall nasceu em Bishopstoke, Hampshire, Inglaterra, em 28 de Março de 1652, o filho de Henry e Jane (Dummer) Sewall. Seu pai, filho do prefeito de Coventry, tinha vindo para a colônia inglesa da Baía de Massachusetts em 1635, onde se casou com a mãe de Sewall e retornou à Inglaterra nos anos 1640.
Segundo a restauração de Carlos II ao trono inglês, os Sewalls cruzaram novamente o Atlântico em 1661, estabelecendo-se em Newbury, Massachusetts. É lá que o jovem Samuel “Sam” cresceu ao longo do rio Parker e do som da Ilha das Ameixas.
Como outros rapazes locais, ele frequentou a escola na casa de James Noyes, cujo primo, Reverendo Thomas Parker, era o instrutor principal. De Parker, Sewall adquiriu um amor de verso para toda a vida, que ele escreveu tanto em inglês como em latim. Em 1667 Sewall entrou na Harvard College, onde seus colegas de classe incluíam Edward Taylor e Daniel Gookin, com os quais ele formou amizades duradouras. Sewall recebeu seu primeiro diploma, um BA, em 1671, e seu MA, em 1674. Em 1674 serviu como bibliotecário de Harvard durante nove meses, sendo a segunda pessoa a ocupar esse cargo. Nesse ano começou a manter um diário, que manteve durante a maior parte de sua vida; é um dos principais documentos históricos da época. Em 1679 tornou-se membro da Companhia Militar de Massachusetts.
O envolvimento de Sewall nos assuntos políticos da colônia começou quando ele se tornou um homem livre da colônia, dando-lhe o direito de voto. Em 1681 ele foi nomeado o impressor oficial da colônia. Um dos primeiros trabalhos que ele publicou foi O Progresso do Peregrino de John Bunyan. Após a morte de John Hull em 1683, Sewall foi eleito para substituí-lo no conselho de assistentes da colônia, um órgão que funcionava tanto como câmara alta da legislatura quanto como tribunal de apelação. Ele também se tornou membro do Conselho de Supervisores de Harvard.
O exame oral de Sewall para o mestrado foi um assunto público e foi testemunhado por Hannah Hull, filha do mercador colonial e mestre da casa da moeda, John Hull. Ela foi aparentemente levada pelos encantos do jovem e perseguiu-o. Eles se casaram em fevereiro de 1676. Seu pai, cujo trabalho como cunhador o tinha tornado bastante rico, deu ao casal £500 em moeda colonial como presente de casamento. O biógrafo Richard Francis nota que o peso desta quantidade de espécie, 57 kg, pode ter aproximado o peso da noiva, dando origem à lenda de Nathaniel Hawthorne de que o presente era o seu peso em moedas. Sewall mudou-se para a mansão dos seus sogros em Boston e logo se envolveu nos negócios e assuntos políticos daquela família. Ele e Hannah tiveram catorze filhos antes de sua morte em 1717, embora apenas alguns tenham sobrevivido até a idade adulta.
Ele também entrou para a política local e foi elevado à posição de magistrado assistente no judiciário. Em 1692 ele foi um dos nove juízes nomeados para o tribunal de Oyer e Terminer em Salem, acusado de julgar os da cidade de Salem e de outros lugares que foram acusados de bruxaria. Seu diário narra muitos dos episódios mais famosos dos julgamentos, como a morte agonizante sob tortura de Giles Corey, e reflete o crescente mal-estar do público sobre a culpa de muitos dos acusados. O irmão de Sewall, Stephen, tinha entretanto aberto sua casa para uma das crianças inicialmente afligidas, Betty Parris, filha do ministro de Salem Village, Samuel Parris, e pouco depois as “aflições” de Betty parecem ter diminuído.
Sewall foi talvez o mais notável entre os juízes envolvidos nos julgamentos, pois mais tarde ele se arrependeu de seu papel, chegando ao ponto de pedir um dia público de oração, jejum e reparações. Após a dissolução do tribunal, a família Sewall foi prejudicada pelo que Sewall pensava ser punições de Deus. Nos cinco anos após o julgamento, duas filhas de Sewall e a mãe de Hannah morreram, e Hannah deu à luz um nado-morto. O que convenceu Sewall da sua necessidade de arrependimento público foi uma recitação de Mateus 12:7: “Se soubésseis o que isto significa, eu teria misericórdia e não sacrificaria, não teríeis condenado os sem culpa”. Não só a vida doméstica de Sewall tinha sido abalada, mas nos anos após os Julgamentos, o povo de Massachusetts experimentou contratempos e violência, notadamente os Atos de Navegação, a declaração do domínio da Nova Inglaterra e a Guerra do Rei Filipe. Ele viu isso como um sinal, não de que a bruxaria não existia, mas de que ele tinha governado com base em provas insubstanciais. Ele registra em seu diário que, em 14 de janeiro de 1697, ele se levantou na casa de reunião em que participou enquanto seu ministro lia sua confissão de culpa.
Em 1693 Sewall foi nomeado juiz associado do Tribunal Superior de Justiça, o tribunal superior da província, pelo governador Sir William Phips. Em 1717, ele foi nomeado seu juiz principal pelo governador Samuel Shute.
Sewall morreu em Boston, Massachusetts, em 1 de janeiro de 1730, com 77 anos de idade, e foi enterrado no túmulo da família no cemitério Granary Burying Ground em Boston.
Sewall casou-se três vezes. Hannah Hull, sua primeira esposa, morreu em 1717; dois anos depois, em 1719, Sewall casou-se com Abigail (Melyen) Woodmansey Tilley, que morreu sete meses depois. Em 1722, ele casou-se com Mary (Shrimpton) Gibbs, que sobreviveu a ele. Seu sobrinho, Stephen, também serviu como Presidente do Supremo Tribunal de Massachusetts, assim como seu bisneto, Samuel. Sua irmã, Anne Sewall Longfellow (1662-1706), era a tataravó do poeta Henry Wadsworth Longfellow.