1931'de Indiana'da doğduktan kısa bir süre sonra ailesi Santa Monica'ya taşındı. Bundan 6 yıl sonra, James 5 yaşındayken babası dental teknisyen olmak için çiftlikten ayrıldı. 1940 yılında annesini kanserden kaybedene kadar Brenywood Parasız Okulu'nda okudu. Dokuz yaşındayken babası tarafından amcası Marcus ile teyzesi Ortense'nin yanına Indiana'daki çiftliğe gönderildi. 1949 yılında Fairmount Lisesi'nden mezun oldu.  sonra Kaliforniya Üniversitesi'ne geçiş yaparak burada drama okudu. James Whitmore'un drama atölyelerine katıldıktan sonra bazı dizilerde ve tiyatro oyunlarında küçük rollerde yer almaya başladı.

1951 yılına gelindiğinde Whitmore'un tavsiyesine uyarak daha ciddi roller için New York'a gitti. Broadway'de 'See The Jaguar' adlı oyunda yer almadan önce birçok küçük rollerde görev aldı. 1952 yılında 'Actors Studio'ya katıldı. Burada dünyaca ünlü Marlon Brando, Julie Harris, Mildred Dunnock gibi oyuncular bir arada olma fırsatı yakaladı. Aralarında 'The Philco Television Playhouse', Robert Montgomery Presents ve 'Armstrong Circle Theatre' da bulunan birçok televizyon programında yer aldı.

Actors Studio'daki çalışmaları sürerken kariyerinde büyük bir sıçramaya neden olan 'The Immoralist'(1954) adlı Broadway oyununda rol aldı. Bu oyun ile 'En İyi yeni Oyuncu' Bloom Ödülü'nü aldı. Warner Bros tarafından yeteneği keşfedildi ve John Steinbeck'in romanından uyarlanan 'East of Eden'(1955) adlı filmde yer aldı. Filmin çekimlerinde tanıştığı Pier Angeli ile birlikte olmaya başladı. Evlilik hayelleri kuran çiftin ayrılmasına Angeli'nin annesi neden oldu. Dean'nin katolik olmaması nedeniyle annesi birlikteliğe izin vermedi. Daha sonra Liz Sheridan ile nişanlanan Dean, mutlu bir birliktelik yaşayamadı. Ardından New Yorka dönerek 'Lux Video Theatre' ve 'Schlitz Playhouse of Stars' adlı televizyon serilerinde yer aldı. Empire Dergisi tarafından 1955 yılında sinema tarihinin en çekici 100 yıldızı arasına girdi. İlk başrolüyle Oscar'a aday gösterilmiş az sayıda oyuncudan birisi oldu.

1955 yapımı 'Rebel Without A Cause' adlı film kariyerinin en önemli filmlerinden biri oldu. Nicholas Ray'in yönetmenliğini yaptığı filmde, başrolü Natalie Wood ile paylaştı. Canlandırdığı Jim Stark karakteri ile gençlerin idolü oldu. Dönemin asi genç imajının oluşmasında büyük rol oynadı. Ardından 1956 yılında gösterime giren 'Giant' adlı filmde rol aldı. Elizabeth Taylor ve Rock Hudson ile birlikte rol aldığı filmle 'en iyi yardımcı erkek oyuncu' dalında , ölümünden sonra Oscar'a aday gösterilen ilk oyuncu oldu.

30 Eylül 1955'de Porsche 550 Spyder ile yaptığı kaza sonucunda hayata veda etti. Fairmount'taki Park Mezarlığı'na gömüldü.