Самора Машел родился в крестьянской семье, принадлежавшей к этносу шангаан. Окончил четыре класса начальной школы, непродолжительное время учился в средней школе. Четыре года учился в католической семинарий. До 1963 работал в больнице Мапуту. Годом раньше Эдуардо Мондлане, выходец из племени шангане, получивший образование в США, основал Фронт освобождения Мозамбика (ФРЕЛИМО). В 1963 Машел отправился в Танзанию и был послан ФРЕЛИМО в Алжир для овладения методами партизанской войны. Вернувшись в Танзанию, Машел создал первый лагерь ФРЕЛИМО для подготовки повстанцев.
В 1966 году Машел стал секретарем ФРЕЛИМО по обороне, а в 1968 году — главнокомандующим армии Мозамбика. После того, как в 1969 году Эдуардо Мондлане был убит посланной по почте бомбой в своем доме в Дар-эс-Саламе, Машел, Урия Симанго и Марселину душ Сантуш взяли на себя управление ФРЕЛИМО. Однако борьба за власть продолжалась, и Машел с М. душ Сантушем сместили Симанго. В 1970 году Машел был утвержден руководителем ФРЕЛИМО. При советской и китайской военной помощи ФРЕЛИМО удалось к 1973 установить контроль над частью территории северного Мозамбика. К 1974 году ФРЕЛИМО уже угрожал центральному Мозамбику, а в апреле после революции в Португалии к власти пришло новое правительство, решившее оставить Мозамбик.
В 1975 году Машел стал президентом Мозамбика.
Правительство Машела национализировало землю, почти всю торговлю и промышленность, поощряло поспешный, чуть ли не поголовный отъезд из страны белых поселенцев. Машел предоставил базы и военную помощь партизанам, которые в 1980 покончили с режимом белого меньшинства в Южной Родезии (ныне Зимбабве) и боролись за ликвидацию режима апартеида в Южной Африке. По свидетельству советского посла Евсюкова, Машел преклонялся перед Сталиным и Мао Цзэдуном.
Поддерживал отношения с социалистическими странами. Встречался с Фиделем Кастро, Леонидом Брежневым, Эрихом Хонеккером, Тодором Живковым, Юмжагийном Цэдэнбалом, Николае Чаушеску и Михаилом Горбачёвым. Не порывал связей с бывшей метрополией и в 1983 году, посетив Португалию, заключил с ней договор о сотрудничестве.
Внутриполитическую обстановку усугубляла партизанская война против правительства, которую вело «Мозамбикское национальное сопротивление» (РЕНАМО) в северных провинциях. Эта оппозиционная организация, созданная в 1976, выступала против курса социалистической ориентации Мозамбика и за введение многопартийной системы. Опорные базы РЕНАМО располагались на территории Южной Родезии (нынешнего Зимбабве), правительство которой оказывало оппозиционерам финансовую и военную помощь, пытаясь заставить Мозамбик отказаться от торговых санкций против нее, принятых ООН. С 1980 года РЕНАМО стала поддерживать также Южно-Африканская Республика, недовольная помощью Мозамбика Африканскому национальному конгрессу (АНК), руководившего движением борьбы с политикой апартеида в ЮАР. В ходе необъявленной войны ее вооруженные отряды совершали нападения на членов АНК даже в столице Мозамбика Мапуту.
Нападения РЕНАМО на объекты хозяйственного значения носили целенаправленный характер подрыва экономики. Ошибки правительства в экономической области и повторяющаяся в течение нескольких лет засуха привели к голоду в стране. Стремясь положить конец затяжной гражданской войне и нормализовать отношения с Южно-Африканской Республикой, в 1984 году власти Мозамбика пошли на подписание с ее правительством договора о ненападении и добрососедстве («соглашение Нкомати»). Согласно этому документу, оба государства обязывались не предоставлять базы на своей территории, финансовую и материальную помощь группировкам, действия которых представляют угрозу для безопасности каждой из сторон. Выполняя условия соглашения, правительство Мозамбика выслало сотни членов АНК. Тем не менее, режим Претории так и не прекратил поддержку формирований РЕНАМО. В августе 1984 гражданская война охватила все провинции Мозамбика, РЕНАМО удалось блокировать большинство транспортных путей, ведущих в Зимбабве, Малави и ЮАР.
После гибели Машела главой государства стал Жоакин Альберто Чиссано, правительство которого с 1989 года начало проводить курс, направленный на либерализацию экономики и общественно-политической жизни страны. Фактически этот курс, в частности поощрение частного сектора, начался ещё при Машеле. Вдова Саморы Машела Граса Машел вышла замуж за первого чернокожего президента ЮАР Нельсона Манделу после развода последнего с Винни Манделой.