Джеймс Бролин получил известность благодаря телевизионному телесериалу «Доктор Маркус Уэлби» , за который он был награждён премией «Эмми» и «Золотым глобусом» .
В 1980-х годах он исполнил главную роль в телевизионном сериале «Отель» (1983—1988).
В 1983 году Джеймс Бролин почти стал новым Джеймсом Бондом после Роджера Мура в фильме «Осьминожка» , если бы продюсеры в последний момент не передумали и не утвердили всё-таки Мура. Самым известным фильмом с участием Джеймса Бролина является «Козерог один» Питера Хайамса.
В последние годы Бролин снимается преимущественно в фильмах класса «В» либо небольших эпизодических ролях в нашумевших фильмах («Траффик» Стивена Содерберга (2000)).
В 2003 году Бролин снялся в роли президента Рейгана в телевизионном биографическом фильме «Рейганы» , где его партнёршей в роли Нэнси Рейган стала австралийская актриса Джуди Дэвис.
В фильме «Вдова на холме» 2005 года партнёршей Бролина была Наташа Хенстридж.У Джеймса трое детей (в том числе актёр Джош Бролин) от предыдущих браков, а в 1998 году Джеймс Бролин женился на Барбре Стрейзанд.