Самойлов в Казани энергично развивал физическое направление в физиологии. Блестяще владея инструментальной техникой, Самойлов проводил исследования на чрезвычайно высоком методическом уровне. В предреволюционные годы он, с помощью струнного гальванометра Эйнтховена, выполнил ряд превосходных исследований сердечных токов действия (1907–1917). Эти исследования дают право считать Самойлова одним из основателей электрокардиографии. Самойлова также интересовала физиология нервно-мышечного препарата: он открыл замедление проводимости в нерве в относительную рефрактерную фазу (1912), высказался (на основании экспериментов вместе с сотрудниками) против двойной иннервации волокон скелетных мышц (1924), измерил температурный коэффициент передачи импульса в нервно-мышечном синапсе и сделал заключение о вероятности химической природы процессов проведения в синапсе, сообщил материалы о структуре одиночного тетанизированного сокращения H. Е. Введенского (1930).
Важное значение имеют работы Самойлова по физиологии спинномозговых рефлексов, в частности в связи с проприоцепцией скелетных мышц. Им вместе с М. А. Киселевым была точно измерена длительность центрального торможения, порождаемого в рефлекторной дуге одиночным афферентным импульсом (1927).
Кроме экспериментальных тем, внимание Самойлова привлекали вопросы методологии науки и истории физиологии. Ему принадлежат работы в области теории музыки, в которых он пытался осветить связь физиологии органов чувств и теории музыкальных ладов.
Умер Самойлов скоропостижно от приступа стенокардии летом 1930 года.
Работы: Ueber das Schicksal des Eisens im thierischen Organismus. Spb., 1892; Определение ферментативной силы жидкостей, содержащих пепсин, по способу Метта. АБН, 2, 1893, 698; (с Н. А. Умовым) Электрические образы в поле трубки Гитторфа. Тр. физиол. инет. Моск, унив., 5, 1896, 1, 53; Ueber die eigentliche elektromotorische Kraft des muskulären Demarkations-Stromes. Pfl. Arch., 78, 1899, 38; Некоторые электрофизиологические опыты. АБН, II (дополн.) 1904, 175; Beitrage zur Elektrophysiologie des Herzens. Arch. Anat. u. Physiol. Physiol. Abt., Suppl. Bd., 1907, 207; Электрокардиограммы. Русск. врач, 1908, № 33, 1; Ueber die Vorhoferhebung des EKG bei Mitralstenose. Munch, med. Woch., 1909, № 38, 1; Ueber die Verspätung des zweiten Aktionsstromes bei Doppelreizungen des quergestreiften Muskels. Pfl. Arch., 143, 1912, 453; Die Vagus und Muskarinwirkung auf die Stromkurve des Froschherzens, ibid., 155, 1914, 471; Положительные колебания тока покоя предсердия черепахи при раздражении блуждающего нерва. Изв. Росс. акад, наук, сер. VI, 1917, ч. 2, 1259; то же, Pfl. Arch., 199,1923,6,580; (с В. Васильевой и И. Линденбаум) Zur Frage der doppelten Innervation des Froschgastrocnemius, ibid., 204, 1924, 4–5, 691; О переходе возбуждения с нерва на мышцы. Сб., поев. 75-летию И. П. Павлова. Л., 1924, 75; Диалектика природы и естествознание. Под знаменем марксизма, 1926, № 4–5, 45; (с М. А. Киселевым) К характеристике центральных процессов угнетения. Ж. экспер. биол. и мед., 1927, № 15, 35; то же, Pfl. Arch., 215, 1927, H. 6, 699; Zur Frage der Muskelrezeptoren in Reflexen. Pfl. Arch., 224, 1929, H. 6, 807; Ueber den Uebergang der Erregung von einer Zelle zur anderen. In: Die Naturwissenschaften in der Sowjet Union. Berlin, 1929, 276; Кольцевой ритм