Hầu hết điện thoại di động Samsung sử dụng hệ điều hành Android của Google, nhưng một số kiểu máy sử dụng hệ điều hành Windows Phone của Microsoft hoặc hệ điều hành Bada của riêng Samsung. Cả ba hệ điều hành này đều được thiết kế để hoạt động tốt với cảm ứng hiện đại- màn hình điện thoại thông minh.
Dòng điện thoại di động Samsung Galaxy phổ biến sử dụng riêng hệ điều hành Android. Hệ điều hành mã nguồn mở này dễ dàng được các nhà phát triển điện thoại sửa đổi để đáp ứng nhu cầu của họ. Dòng Galaxy bao gồm nhiều loại điện thoại với nhiều kích cỡ và mức giá khác nhau. Các điện thoại Samsung khác có hệ điều hành Android bao gồm Rugby, Replenish và Continuum. Dòng Samsung Ativ và Focus sử dụng hệ điều hành Windows Phone. Dòng Wave sử dụng hệ điều hành Bada.
