Né à Los Angeles en 1940, James Brolin est passionné de cinéma dès l'adolescence, et tourne ses propres petits films en 8 mm. Il étudie l'art dramatique à l'université de Californie de Los Angeles, et signe un premier contrat avec la Fox en 1960. Il apparaît pour la première fois dans le long métrage Ah si papa savait ça (1963), et obtient un premier rôle consistant dans L'Express du colonel von Ryan (1965).

En 1967, il obtient sa première tête d'affiche avec le thriller The Cape Town Affair, co-écrit par Samuel Fuller, dans lequel il donne la réplique à Jacqueline Bisset et Claire Trevor. Après plusieurs rôles dans la série Batman (1966-1967) et une apparition dans L'Etrangleur de Boston (1968). L'année suivante, il devient l'un des héros de la série médicale Docteur Marcus Welby, qui dure 7 saisons et 173 épisodes diffusés de 1969 à 1976.

Durant cette période, Brolin rejoint Alerte à la bombe de John Guillermin (1972), puis Mondwest de Michael Crichton avec Yul Brynner (1973) et incarne Clark Gable dans le biopic Gable and Lombard (1976). L'année suivante, il est aux prises avec une voiture possédée dans Enfer mécanique (1977), puis rejoint la mission Capricorn One (1978) et assure la tête d'affiche d'Amityville : La Maison du diable de Stuart Rosenberg (1979).

Après New York Connection (1980) et Les Risques de l'aventure (1981), la carrière au cinéma de Brolin ralentit de manière significative, et il trouve davantage de rôles à la télévision, comme avec Cowboy en 1983.

Son fils Josh Brolin, né en 1968, est lui aussi devenu acteur. Ils tournent ensemble le drame sportif Finish Line de John Nicolella en 1989, mais aussi My Brother's War (1997) et un épisode de la série L'équipée du Poney Express (S03E14), dont Josh Brolin est l'une des stars principales de 1989 à 1992.

De la seconde moitié des années 80 à la fin des années 90, Brolin tourne beaucoup, mais peu de productions surnagent. Il faut attendre l'an 2000 pour que Steven Soderbergh le sorte des direct-to-video avec Traffic. Steven Spielberg ne tarde pas à suivre en le recrutant pour Arrête-moi si tu peux (2002).

De 2015 à 2019, il rejoint la sitcom Life in Pieces, où il incarne le grand-père de la famille, un pilote de l'air à la retraite époux de Dianne West, et père de Betsy Brandt, Thomas Sadoski et Colin Hanks. Après 79 épisodes, il fait une pause et reprend le chemin des plateaux en 2025 pour la série Netflix Nouvelle vie à Ransom Canyon.

Corentin Palanchini