W 1995 r. zadebiutował na mistrzostwach świata biorąc udział w mistrzostwach w Thunder Bay. Zajął tam 43 miejsce w biegu na 50 km technika dowolną. Na mistrzostwach świata w Trondheim jego najlepszym wynikiem było 13 miejsce w biegu pościgowym 10+15 km. Podczas mistrzostw świata w Ramsau pierwszy raz na imprezie tego cyklu wziął udział w sztafecie. Finowie z Repo w składzie zajęli 5 miejsce. Indywidualnie nie prezentował się najlepiej zajmując miejsca poza czołową trzydziestką. Na mistrzostwach świata w Lahti osiągnął swoje najlepsze indywidualne wyniki zajmując 11 miejsce w biegu na 15 km techniką klasyczną oraz w biegu łączonym na 20 km. Na tych samych mistrzostwach Repo brał udział w sztafecie 4x10 km, w której wystąpili także Janne Immonen, Harri Kirvesniemi i Mika Myllylä. Finowie ukończyli rywalizację na pierwszym miejscu, zostali jednak zdyskwalifikowani za stosowanie dopingu. Z całej czwórki tylko Sami Repo nie został zawieszony. Mistrzostwa świata w Val di Fiemme w 2003 r. były ostatnimi w jego karierze. Jego najlepszym indywidualnym wynikiem na tych mistrzostwach było 25 miejsce w biegu łączonym an 20 km. Fińska sztafeta w nowym składzie: Timo Toppari, Kuisma Taipale, Teemu Kattilakoski i Sami Repo zajęła 6 miejsce.