Денис Самойлов родился 25 марта 1992 года. В 2014 году он завершил обучение в Театральном институте имени Бориса Щукина, где его курсом руководил В.В. Иванов. В том же году артист был принят в Первую Студию Вахтанговского театра. С 1 января 2018 года Самойлов стал частью труппы Театра имени Евгения Вахтангова. В его репертуаре значатся разнообразные роли в постановках известных режиссёров. Он сыграл Анри в спектакле Владимира Иванова «Возьмите зонт, мадам Готье!» и Князя Тверского в «Анне Карениной» Анжелики Холиной. Также его можно увидеть в ролях Владека в «Нашем классе» Натальи Ковалёвой и Сэра Роберта Брекенбери в «Ричарде III» Автандила Варсимашвили. Среди других работ — Мещанин в «Горячем сердце» Александра Коручекова и Пьер Безухов в «Войне и мире» Римаса Туминаса. Артист также исполняет вокальные номера в музыкальном спектакле «Концерт для Актёра с оркестром». Денис Самойлов был награждён Почетным дипломом Московской городской думы за свои яркие роли в Театре имени Евгения Вахтангова в 2021 году. В 2023 году он стал номинантом Российской национальной театральной премии «Золотая маска» в категории Драма/Мужская роль за исполнение Пьера Безухова. В 2025 году он получил премию газеты «Московский комсомолец» за лучшую роль второго плана за роль Евгения Лифшица в спектакле «Солнце Ландау».