Родился 31 июля 1914 года в Петрограде. Грузин.
Специалист в области теплофизики, гидродинамики газожидкостных систем, новых проблем энергетики. Основные труды посвящены развитию теплообмена, теории турбулентного пограничного слоя, гидродинамике газожидкостных систем, проблемам физического моделирования.
В 1932 году окончил Ленинградский теплотехникум. С 1932 по 1958 год работал в Центральном котлотурбинном институте им. И.И. Ползунова, куда он поступил на работу лаборантом.
В предвоенный период С.С. Кутателадзе провел обширные экспериментальные исследования теплообмена при конденсации пара, кипении и затвердевании, результаты которых были обобщены в монографии «Основы теории теплообмена при изменении агрегатного состояния вещества», выпущенной в 1939 году, – первой в мировой литературе на эту тему.
Сформулированные автором идеи нашли всеобщее признание и по существу определили развитие нового направления в теории теплообмена.
С июня 1941 по август 1945 года Самсон Семенович воевал в частях Северного Флота и 14-й армии Карельского фронта. Был ранен. Начав войну солдатом, Самсон Семенович окончил ее офицером. Член ВКП(б)/КПСС с 1943 года.
После демобилизации С.С. Кутателадзе вновь вернулся в ЦКТИ, принял участие в ряде прикладных разработок, связанных с атомной программой.
В 1950 году окончил Ленинградский заочный индустриальный институт, защитил кандидатскую, в 1952 году – докторскую диссертации.
В 1953–1958 годах преподавал в Военно-морской академии им. А.А. Крылова.
Под руководством С.С. Кутателадзе в 50-х годах был выполнен цикл теоретических и экспериментальных работ по исследованию теплоотдачи и гидродинамики жидких металлов, на основе которых совместно с коллективом авторов им написана первая в СССР монография по жидкометаллическим теплоносителям. Это был весомый вклад в становление отечественной ядерной энергетики. Во второй половине 50-х годов важное место в его научной деятельности стали занимать также исследования пристенной турбулентности.
С 1958 года работал в Сибирском отделении Академии наук СССР. Он один из создателей и с 1964 года директор Института теплофизики. Здесь широко проявился его талант крупного организатора науки.
Деятельностью С.С. Кутателадзе определено развитие в Институте исследований по динамике разреженного газа, радиационно-кондуктивному теплообмену, становлению прикладных направлений по созданию новых энергетических установок. В настоящее время Институт теплофизики СО РАН является одним из ведущих научных центров по теории теплообмена и физической гидрогазодинамики.
Под его руководством выполнены первые в Советском Союзе исследования по выяснению механизма кипения жидких металлов с использованием методов рентгеновской визуализации. Разработан электродиффузионный метод диагностики газожидкостных потоков, позволяющий получить исчерпывающую информацию о структуре потока. Создано научно-производственное объединение теплофизического направления (Институт теплофизики, СКВ «Энергохиммаш»).
С 1962 года он был профессором, с 1965 года – заведующим кафедрой теплофизики Новосибирского государственного университета. С 1976 года – член президиума СО АН СССР.
Председатель Сибирского отделения научного совета «Теплофизика и теплоэнергетика» АН СССР. С 1979 года – действительный член АН СССР (с 1968 г. член-корреспондент). Представитель СССР в ассамблее Международной конференции по теплообмену, член Национального комитета по тепло- и массообмену.
Самсон Семенович – основатель одной из ведущих научных школ по теплофизике и гидродинамике. Более 60 его учеников стали кандидатами, более 30 – докторами наук.
Член редколлегии ряда советских и международных научных журналов. Всего С.С. Кутателадзе было написано 20 монографий и почти 300 статей.
За большие заслуги в развитии науки, подготовке научных кадров и в связи с семидесятилетием со дня рождения Указом Президиума Верховного Совета СССР от 18 июля 1984 года Самсону Семеновичу Кутателадзе присвоено звание Героя Социалистического Труда.
Награжден тремя орденами Ленина, орденами Октябрьской Революции, Трудового Красного Знамени, «Знак Почета», медалями. Лауреат международной премии им. М. Джекоба американского общества механиков и американского института инженеров-химиков, премии АН СССР им. И.И. Ползунова и Государственной премии СССР (1983), Государственная премия РСФСР (1988, посмертно).
Скончался Самсон Семенович Кутателадзе 20 марта 1986 года.
В память об академике Кутателадзе установлены мемориальные доски на зданиях Института теплофизики в Новосибирске и Центрального котлотурбинного института в Санкт-Петербурге. В 1994 году его имя присвоено Институту теплофизики. Учреждена премия им. С.С. Кутателадзе для молодых ученых СО РАН. В его честь названа улица в Новосибирском академгородке [447, 481, 683, 743, 860, 968, 1139].