Sam Riley rodó Suite francesa dirigida por Saul Dibb, donde comparte protagonismo con Michelle Williams y Kristin Scott Thomas. En 2013 apareció como el protagonista en The Dark Valley de Andreas Prochaska, producida por Stefan Arndt de X-Filme y Allegro Film.

En el verano de 2012 rodó Maléfica de Disney, en la que comparte protagonismo con Angelina Jolie en el papel de Maléfica. Sam interpreta a Diaval.

Las películas recientes de Sam incluyen Byzantium, en la que comparte protagonismo con Saoirse Ronan y Gemma Arteton.

En 2012 Sam protagonizó en el papel de Sal Paradise En la carretera, dirigida por Walter Salles y adaptada de la novela seminal de Jack Kerouac. La película tuvo su premier en el Festival de Cine de Cannes, el reparto también cuenta con Viggo Mortensen, Krisin Stewart y Kristin Dunst.

En febrero de 2011 se estrenó la película de gánsteres Brighton Rock, basada en la novela de Graham Green. Sam tiene el papel protagonista de Pinkie. Esta película está dirigida y adaptada para la gran pantalla por Rowan Joffe. El film también está protagonizado por Helen Mirren y John Hurt.

Sam debutó como el protagonista en Control, una película de Anton Crobijn. Por su extraordinaria interpretación obtuvo numerosos galardones, incluido el de mejor actor en el Festival Internacional de Cine de Edimburgo, el premio a actor novel en los British Independent Film Awards, el premio a actor revelación en el London Film Critics' Circle Awards de 2008 y una nominación al Orange Rising Star de los BAFTA en 2008. La película ganó el Directors' Fortnight Award en el Festival de Cine de Cannes en 2007.

Otros méritos incluyen sus papeles protagonistas en 13, dirigida por Gela Balbuni y co-protagonizada por Mickey Rourke, y Franklyn dirigida por Gerald McMorrow y co-protagonizada por Eva Green y Ryan Phillippe. Sam también ha aparecido en películas alemanas, incluyendo un cameo en Rubble Die Katz.