Уотерстон дебютировал в кино в 1965 году с лентой «The Plastic Dome of Norma Jean», но первую значимую роль получил в фильме «Фицуилли» (1967). Снялся в роли Тома в телефильме «Стеклянный зверинец» по одноимённой пьесе Теннесси Уильямса с Кэтрин Хепбёрн в главной роли. В роли Джима так снимался Майкл Мориарти, которого позже Уотерстон заменил в роли исполнительного помощника окружного прокурора в «Законе и порядоке». Среди других его ролей можно выделить ленты «Дикари» (1972), «Великий Гэтсби» (1974, две номинации на «Золотой глобус»), «Путешествие в страх» (1975), «Козерог один» (1978), «Врата рая», «Игра в классики» (оба — 1980) и «Поля смерти» (1984, номинации на «Оскар», «Золотой глобус» и BAFTA). В 1985 году снялся c Робертом Престоном в телефильме «Finnegan Begin Again» (1985), исполнил главную роль в «Линкольне» в 1988 году (в обоих проектах главную женскую роль исполняла Мэри Тайлер Мур) и сыграл в фильме «Избиение в Вест-пойнте: Трибунал Джонсона Уиттэйкера» (1994) с Сэмюэлем Л. Джексоном. Снимался в фильмах Вуди Аллена «Интерьеры» (1978), «Ханна и её сёстры» (1986, камео), «Сентябрь» (1987) и «Преступления и проступки» (1989). Уотерстон номинировался на «Эмми» восемь раз (одна победа), семь раз на «Золотой глобус» (одна победа), одиннадцать раз на премию Гильдии киноактёров США (одна победа) и по два раза на BAFTA и «Спутниковую награду».

Помимо «Закона и порядка» среди его работ на телевидении можно выделить роль окружного прокурора Форреста Бедфорда в сериале «Я улечу», за которую он получил премию «Золотой глобус» за лучшую мужскую роль в телевизионном сериале — драма в 1993 году. У него также была главная роль в эпизоде сериала «Удивительные истории» под названием Зеркальце, зеркальце (1986). В 1994 году сыграл президента США Уильяма Фостера в телефильме «Внутренний враг», ремейке политической драмы 1964 года «Семь дней в мае».

Уотерстон также входил в состав консультативного комитета по празднованию 200-летнего юбилея Авраама Линкольна. Уотерстон играл Линкольна на сцене и экране (документальный фильм «Гражданская война», «Линкольн», спектакль «Эйб Линкольн в Иллинойсе» на Бродвее (номинация на «Тони»), его голосом говорит Линкольн на выставке в Национальном центре Конституции в Филадельфии, а также читал речь Линкольна Cooper Union speech 5 мая 2004 года.

В скетче передачи «Субботним вечером в прямом эфире» Уотерстон сыграл самого себя, выступив в качестве пресс-секретаря компании Old Glory Insurance, предлагающей защиту пожилым людям от атаки роботов.

Уотерстон озвучил доктора Каплана, психиатра Брайана Гриффина, в эпизодах Brian in Love и Road to Rhode Island мультсериала «Гриффины». Уотерстон также был рассказчиком в документальном фильме NBC «Большие гонки», повествующем о знаменитой победе в мужской эстафете 4х10 км на Зимних Олимпийских играх 1994 команды Италии, обогнав в последний момент команду Норвегии. В документальной ленте «Lewis & Clark: The Journey of the Corps of Discovery» Уотерстон говорил от лица Томаса Джефферсона, также он играл его роль в документальном фильме «Томас Джефферсон». Он также появился в первом эпизоде сериала «Хроники будущего» под названием Идеальный побег, сыграв человека, у которого подозревают синдром Корсакова.

Уотерстон 10 ноября 2006 года вместе с Кэтрин Эрбе из «Закон и порядок. Преступное намерение» и Кристофером Мелони из «Закон и порядок: Специальный корпус» появился в 5100-м выпуске игры Jeopardy!. Уотерстон занял второе место после Мелони, выиграв 25000 долларов, которые передал благотворительным организациям Refugees International и Oceana.

Уотерстон регулярно появлялся в рекламе TD Ameritrade. Здесь он заменил бывшего актёра «Закона и порядка» Стивена Хилла. Также принимал участие в озвучивании рекламы журнала The Nation.

Об Уотерстоне упомянула программа The Colbert Report, заявив, что «Сэм Уотерстон говорит вещи, которым вы никогда не должны верить, в заслуживающем доверия тоне». Сам актёр заявил, что, очевидно, очень убедительно говорит неправильные цитаты из фильмов.

Уотерстон в 2008 году сыграл Полония в постановке «Гамлета». Его игра получила отличные рецензии в нескольких газетах, в том числе и в New York Times.

12 февраля 2009 года, Уотерсон присоединился к торжествам по случаю двухсотлетия Авраама Линкольна в церкви Riverside в Нью-Йорке, организованному Aaron Copland School, Riverside Inspirational Choir и NYC Labor Choir. В музыкальном представлении Мориса Пересса по произведению Эрла Робинсона The Lonesome Train: A Music Legend for Actors, Folk Singers, Choirs, and Orchestra, в котором Уотерстон сыграл Линкольна.

7 января 2010 года на 7040—Голливудском бульваре Уотерстон был удостоен звезды на голливудской «Аллее славы».

В «Законе и порядке» Уотерстон снимался в 16 сезонах. Дольше него в сериале снималась только Эпаты Меркерсон.

30 октября 2010 года Уотерстон зачитал поэму Стивена Кольбера Are you sure на митинге Rally to Restore Sanity and/or Fear в Вашингтоне.

Уотерстон снимается вместе с Джеффом Дэниэлсом и Эмили Мортимер телесериале Аарона Соркина «Новости», рассказывающем о жизни службы новостей на кабельном канале. Премьера намечена на 2012 год.