James Brolin wurde bekannt für seine Rolle des Assistenzarztes Dr. Steven Kiley in der Fernsehserie „Dr. med. Marcus Welby“ (1969-1976). Wenig später sah man ihn als Peter McDermott in der Serie Hotel (1983-1988) und als Lt. Col. Bill Kelly „Raven“ in der US-Serie Pensacola: Flügel aus Stahl (1997–2000).
Danach war er meist nur noch als Gaststar bei Serien wie The West Wing, Monk und Law & Order: Special Victims Unit. Zum Beispiel sah man ihn in der Episode High Noon-ish der US-Serie Psych.
2013 stattete er unter anderem Castle und Community einen Besuch ab. In der Familiencomedy Life in Pieces übernahm Brolin 2015 eine Hauptrolle.
Seit 1998 ist er mit Barbara Streisand verheiratet. Sein Sohn Josh Brolin ist ebenfalls Schauspieler.