Penyakit tersebut diketahui setelah dirinya mengalami pembengkakan kelenjar getah bening ketika sedang menjalani promosi film Jurassic World Dominion.
Neill kemudian menjalani kemoterapi. Namun, pengobatan awal tidak memberikan hasil sesuai harapan sehingga dokter menggantinya dengan terapi menggunakan obat kanker eksperimental yang harus dikonsumsi secara rutin.
Dalam berbagai kesempatan, Neill mengaku bersyukur terapi tersebut mampu menahan perkembangan penyakitnya sehingga dia dapat kembali menjalani aktivitas sehari-hari.
Pada akhir 2023, kondisi Sam Neill mulai membaik dan dia dinyatakan memasuki masa remisi. Meski demikian, pengobatan tetap harus dilanjutkan sebagai upaya menjaga agar sel kanker tidak kembali berkembang.
Selama menjalani terapi, Neill tetap aktif bekerja. Dia terus membintangi sejumlah proyek film dan serial televisi, sekaligus menghabiskan waktu di kebun anggur miliknya di Selandia Baru.