Nach einer Kindheit als Dienstmädchen arbeitete sie einige Jahre als Lehrerin. Die unternehmungslustige Sampson beschloss, der Kontinentalarmee beizutreten, um am Amerikanischen Revolutionskrieg teilzunehmen. Unter der Identität eines Mannes meldete sie sich 1782 als „Robert Shurtleff“ beim 4. Massachusetts-Regiment. Wegen ihrer bartlosen Gesichtszüge erhielt sie den Spitznamen „Molly“. Sie kämpfte in zahlreichen Scharmützeln und wurde sowohl mit dem Schwert als auch mit einer Muskete verwundet. Ein Fieberanfall deckte ihre Identität auf, und 1783 wurde sie aus der Armee entlassen.
Im Jahr 1784 oder 1785 heiratete sie Benjamin Gannett, einen Farmer aus Massachusetts, und erhielt später vom Kongress eine kleine Rente. Ein Bericht über ihre Kriegserfahrungen, The Female Review, wurde 1797 veröffentlicht, und 1802 begann sie, Vorträge über ihre Erlebnisse zu halten, wobei sie ihre stark romantisierte Rede damit abschloss, dass sie eine Soldatenuniform anlegte und das Handbuch der Waffen vorführte. Sie war vielleicht die erste Frau, die in den Vereinigten Staaten professionell Vorträge hielt. Im Jahr 1838 verabschiedete der Kongress ein Gesetz, das ihren Erben eine volle Militärrente gewährte.