В шестнадцатилетнем возрасте вступил рядовым в лейб-гвардии Семеновский полк.  Спустя несколько лет, уже в офицерском чине в составе этого же полка, участвовал в русско-турецкой войне 1768-1774. За «храбрые и мужественные дела при Силистрии» награжден орденом Св. Георгия 4-го класса.

После войны положение Самойлова при дворе упрочилось. В 1775 ему был пожалован чин камер-юнкера и почти одновременно был назначен правителем дел Императорского совета. В этой должности пребывал 12 лет, оставаясь в то же время и на военной службе. В русско-турецкой войне 1787-1791 гг. Самойлов был уже в чине генерал-поручика. В декабре 1788 участвовал в штурме Очакова, за что был удостоен ордена Св. Георгия 2-го класса. Отличился при взятии крепостей, и был награжден орденом Св. Александра Невского; а за штурм Измаила - орденом Св. Владимира 1-й степени.

В 1791 после смерти Григория Потемкина Самойлов по поручению Екатерины II некоторое время вел (до прибытия графа А.А. Безбородко) мирные переговоры с турками в Яссах. В конце января 1792 именно Самойлов привез Екатерине II известие о заключении мира. За это императрица лично «возложила» на его грудь орден Св. Андрея Первозванного и пожаловала ему 30 тыс. руб.

В сентябре 1792 назначен генерал-прокурором, вместо больного князя А.А. Вяземского, а затем утвержден в этой должности. Одновременно управлял казначейством и Ассигнационным банком, оставаясь членом Императорского совета.

В январе 1775 он был возведен в графское достоинство. После смерти Екатерины II император Павел I отправил Самойлова в отставку.