Sewall föddes i Bishopstoke, Hampshire, England, den 28 mars 1652 som son till Henry och Jane (Dummer) Sewall. Hans far, son till borgmästaren i Coventry, hade kommit till den engelska nordamerikanska Massachusetts Bay-kolonin 1635, där han gifte sig med Sewalls mor och återvände till England på 1640-talet.
Efter Karl II:s återupprättande av den engelska tronen korsade Sewalls återigen Atlanten 1661 och bosatte sig i Newbury, Massachusetts. Där växte den unge Samuel ”Sam” upp längs Parker River och Plum Island Sound.
Som andra pojkar från trakten gick han i skola hos James Noyes, vars kusin, pastor Thomas Parker, var den främsta läraren. Av Parker fick Sewall en livslång kärlek till verser, som han skrev på både engelska och latin. År 1667 började Sewall på Harvard College, där hans klasskamrater inkluderade Edward Taylor och Daniel Gookin, som han skapade bestående vänskap med. Sewall fick sin första examen, en BA, 1671 och sin MA 1674. År 1674 var han bibliotekarie på Harvard i nio månader, den andra personen att inneha den posten. Samma år började han föra en dagbok, som han förde under större delen av sitt liv; den är ett av de viktigaste historiska dokumenten från den tiden. År 1679 blev han medlem av Military Company of Massachusetts.
Sewalls engagemang i koloniens politiska angelägenheter började när han blev friherre i kolonin, vilket gav honom rösträtt. År 1681 utsågs han till kolonins officiella boktryckare. Ett av de första verk han publicerade var John Bunyans The Pilgrim’s Progress. Efter John Hulls död 1683 valdes Sewall att ersätta honom i kolonins råd av assistenter, ett organ som fungerade både som lagstiftarens överhus och som appellationsdomstol. Han blev också medlem av Harvard’s Board of Overseers.
Sewalls muntliga examination för MA var en offentlig angelägenhet och bevittnades av Hannah Hull, dotter till den koloniala handelsmannen och myntmästaren John Hull. Hon blev tydligen tagen av den unge mannens charm och förföljde honom. De gifte sig i februari 1676. Hennes far, vars arbete som myntmästare hade gjort honom ganska förmögen, gav paret 500 pund i kolonial valuta som bröllopsgåva. Biografen Richard Francis noterar att vikten av denna summa, 125 pund (57 kg), kan ha varit ungefär lika stor som brudens vikt, vilket ger upphov till Nathaniel Hawthornes legend om att gåvan var hennes vikt i mynt. Sewall flyttade in i sina svärföräldrars herrgård i Boston och blev snart involverad i familjens affärer och politiska angelägenheter. Han och Hannah fick fjorton barn innan hon dog 1717, även om endast ett fåtal överlevde till vuxen ålder.
Han gav sig också in i lokalpolitiken och upphöjdes till biträdande domare i rättsväsendet. År 1692 var han en av de nio domare som utsågs till Court of Oyer and Terminer i Salem, med uppgift att pröva de personer från Salem Town och andra platser som anklagades för häxeri. Hans dagbok berättar om många av de mer kända episoderna under rättegångarna, till exempel Giles Coreys plågsamma död under tortyr, och speglar allmänhetens växande obehag om många av de anklagades skuld. Sewalls bror Stephen hade under tiden öppnat sitt hem för ett av de ursprungligen drabbade barnen, Betty Parris, dotter till Salem Village’s präst Samuel Parris, och kort därefter tycks Bettys ”åkommor” ha avtagit.
Sewall var kanske mest anmärkningsvärd bland de domare som var inblandade i rättegångarna i och med att han senare ångrade sin roll, och gick så långt som att uppmana till en offentlig dag av bön, fasta och gottgörelse. Efter domstolens upplösning drabbades familjen Sewall av vad Sewall ansåg vara straff från Gud. Under de fem åren efter rättegångarna dog två av Sewalls döttrar och Hannahs mor, och Hannah födde ett dödfött barn. Det som övertygade Sewall om hans behov av offentlig omvändelse var en recitation av Matteus 12:7: ”Om ni hade vetat vad detta betyder: ’Jag ska vara barmhärtig och inte offra’, skulle ni inte ha dömt de oskyldiga”. Det var inte bara Sewalls hemliv som hade skakats om, utan under åren efter rättegångarna upplevde folket i Massachusetts motgångar och våld, särskilt Navigation Acts, förklaringen av New England Dominion och King Philip’s War. Han såg detta som ett tecken, inte på att häxkonst inte existerade, utan på att han hade dömt på obefintliga bevis. Han antecknar i sin dagbok att han den 14 januari 1697 ställde sig upp i det församlingshus han besökte medan hans präst läste upp hans skuldbekännelse.
År 1693 utnämndes Sewall till biträdande domare i Superior Court of Judicature, provinsens högsta domstol, av guvernör Sir William Phips. År 1717 utsågs han till dess överdomare av guvernör Samuel Shute.
Sewall dog i Boston, Massachusetts, den 1 januari 1730, 77 år gammal, och begravdes i familjegraven på Bostons Granary Burying Ground.
Sewall gifte sig tre gånger. Hannah Hull, hans första fru, dog 1717. Två år senare, 1719, gifte sig Sewall med Abigail (Melyen) Woodmansey Tilley, som dog sju månader senare. År 1722 gifte han sig med Mary (Shrimpton) Gibbs, som överlevde honom. Hans brorson Stephen tjänstgjorde också som överdomare i Massachusetts, liksom hans barnbarn Samuel. Hans syster, Anne Sewall Longfellow (1662-1706), var poeten Henry Wadsworth Longfellows farfars farfars farfars farmor.