Au théâtre, Sami Frey a joué notamment sous la direction de Yves Robert (L’Année du bac de José-André Lacour), Antoine Bourseiller (Dans la jungle des villes de Bertolt Brecht), Jean-Louis Barrault (Le Soulier de satin de Paul Claudel), Roger Planchon (Bérénice de Racine), Claude Régy (Se trouver de Luigi Pirandello, La Chevauchée sur le lac de Constance de Peter Handke), Jorge Lavelli (Le borgne est roi de Carlos Fuentes), Patrice Chéreau (Toller de Tancred Dorst), Alfredo Arias (La Bête dans la jungle de Henri James, adaptation de Marguerite Duras), Raymond Gérome (Trahison d’Harold Pinter), Simone Benmussa (Pour un oui pour un non de Nathalie Sarraute), Marguerite Duras (La Musica II de Marguerite Duras), Benno Besson (Le Théâtre de verdure de Coline Serreau), Denis Marleau (Nathan le sage de Lessing).
Sami Frey a aussi mis en scène Je me souviens de Georges Perec, C’était hier de Harold Pinter, L’Écclésiaste et Cap au pire de Samuel Beckett..
Au cinéma, il a notamment joué dans La Vérité d’Henri Georges Clouzot (1960), Thérèse Desqueyroux de Georges Franju (1962), Cléo de 5 à 7 d’Agnès Varda (1961), L’Appartement des filles de Michelle Deville (1963), Bande à part de Jean-Luc Godard (1964), Une balle au coeur de Jean-Daniel Pollet (1965), Qui êtes-vous Polly Magoo de William Klein (1966), L’Écume des jours de Charles Belmont (1968), Manon 70 de Jean Aurel (1968), La Chasse royale de François Leterrier (1970), M comme Mathieu de Jean-François Adam (1970), Les Mariés de l’an II de Jean-Paul Rappeneau (1971), Le Journal d’un suicide de Stanislas Strandjevitch (1972), Rack de Charles Belmont (1972), Pauline 1880 de Jean-Louis Bertucelli (1972), César et Rosalie de Claude Sautet (1972), Pourquoi pas ! de Coline Serreau (1977), et Écoute voir de Hugo Santiago (1979).
Parmi ses autres films on peut citer Mortelle randonnée de Claude Miller (1983), Le Garde du corps de François Leterrier (1984), La Petite Fille au tambour (The Little Drummer Girl) de Georges Roy, Hill (1984), La Vie de famille de Jacques Doillon (1985), L’État de grâce de Jacques Rouffio (1986), La Veuve noire (Black Widow) de Bob Rafelson (1986), Laputa de Helma Sanders Brahms (1986), De sable et de sang de Jeanne Labrune (1988), L’OEuvre au noir d’André Delvaux (1988), L’Africana de Margareth Von Trotta (1990), La Voix de Pierre Granier-Deferre (1992), Hors Saison de Daniel Schmid (1992), En compagnie d’Antonin Artaud de Gérard Mordillat (1994), La Fille de d’Artagnan de Bertrand Tavernier (1994), Les Menteurs d’Elie Chouraqui (1996), Les Acteurs de Bertrand Blier (2000), La Repentie de Laetitia Masson (2002), Anthony Zimmer (2005), Il regista di matrimoni de Marco Bellochio (2005), Danse avec lui de Valérie Guignabodet (2006).
En 2006, Sami Frey a lu Le Manuel d’Epiclète, La Bête dans la jungle de Marguerite Duras, Les Entretiens avec Jean-Paul Sartre de Simone de Beauvoir. Au Festival d’Avignon, Sami Frey a joué dans Le Borgne est roi de Carlos Fuentes en 1970, Je me souviens de Georges Perec en 1988 et dans Nathan le Sage de Gotthold Ephraïm Lessing dans la Cour d’honneur en 1997.
En 2009, on le retrouve dans le drame de Werner Schroeter, Nuit de chien et en père las et vieilli dans Mensch de Steve Suissa.
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