Xavier Samuel si è diplomato al Centro Recitazione della Flinders University di Adelaide nel 2005 interpretando Amleto nello spettacolo da lui prodotto per il diploma. Negli ultimi quattro anni un'attenzione internazionale crescente per le sue interpretazioni gli ha consentito di ottenere un ruolo nel terzo film della saga di Twilight: Eclipse.
Ha debuttato sullo schermo nel film indipendente molto apprezzato 2:37, che racconta una giornata di sei studenti che si conclude con un drammatico suicidio. Diretto da Murali K. Thalluri, interpretato da un cast composto da attori praticamente sconosciuti, il film, presentato al Festival di Cannes del 2006 nella sezione "Un Certain Regard", è stato accolto dal pubblico con una standing ovation. Dopo questa prima esperienza, Xavier è stato chiamato a far parte del cast del film September, al fianco di Mia Wasikowska. Il film, che narra una storia commovente in cui si intrecciano amicizia e problemi razziali, è stato selezionato al Melbourne International Film Festival ed è stato accolto con grande favore dalla critica. Girato nelle bellissime campagne di Yass nel Nuovo Galles del Sud, September è stato selezionato anche dai Festival di Berlino e di Toronto.
In Newcastle, presentato in anteprima al Festival di Tribeca, Xavier è stato poi il co-protagonista di un dramma adolescenziale ambientato nella comunità dei surfisti della città da cui il film prende il titolo. La straordinaria interpretazione di Xavier è quella di un ragazzo gay interiormente tormentato, ostacolato dalla sua famiglia e alle prese con una difficile adolescenza.
Tra gli altri film interpretati da Xavier di recente, anche il thriller australiano The Loved Ones, diretto da Sean Byrne. Il film è stato selezionato dal Melbourne International Film Festival, per approdare poi al Festival di Toronto. È uscito in Australia nel 2010. Xavier è anche al fianco di Sophie Lowe in Roadtrain, diretto da Dean Francis. L'attore ha appena finito di girare il thriller in 3D Bait. Nel 2012 è il protagonista dell'esilarante commedia Tre uomini e una pecora, diretto da Stephan Elliot, e l'anno successivo è uno dei protagonisti della scandalosa storia d'amore a quattro di Two Mothers di Anne Fontaine, accanto a Naomi Watts e Robin Wright. Nel 2016 sarà Adam/Il Mostro nell'adattamento in chiave contemporanea del classico di Mary Shelley, Frankenstein, diretto da Bernard Rose, e lo vedremo poi nel film in costume Amore e inganni di Whit Stillman.