Самуил Рефетов учи във френското католическо училище "Санта Мария" в Русе. През 1949 г. семейството му емигрира в Израел, където той продължава образованието си. След това прекарва пет години в Белгия, където завършва френския лицей в Антверпен. Впоследствие се установява в Канада. Завършва биохимия и медицина в Монреал. За да завърши медицина влияние оказва немския лекар, философ, теолог, органист, мисионер в джунглите на Африка и носител на Нобелова награда за мир за 1952 г. Алберт Швайцер. Заминава за Амазония, където изучава тропически болести. След това се записва в училище за тропически болести в Лондон, но стипендията му от канадското правителство е прекратена с мотива за липса на необходимост да се плаща на студент при положение, че Канада няма проблеми с такива болести. Насочва се към ендокринологията. В края на 1960-те години се установява в САЩ. Първоначално в Лос Анджелис, след това в болницата на Харвардския университет в Бостън, а от 1969 г. - в Чикаго.

От 1977 г. е редовен професор по медицина, експерт по ендокринология, педиатрия и генетика. Продължително време работи като директор на лабораторията по тиреоидни заболявания към университета, впоследствие директор на програмите за специализация по ендокринология. През 1989 г., след 20-годишни проучвания, открива причината на Рефетовия синдром, която е мутация на рецептора на щитовидния хормон. Откритието му оказва влияние за развитието на генетиката, ранната профилактика и лечението на тиреоидните заболявания в световен мащаб, за което Самуил Рефетов е предложен за Нобелова награда за медицина. Чел е лекции в различни университети в Италия, Белгия, Япония, Англия, Канада, Еквадор.