Doğa aktivisti Jane Cameron Agee ve ünlü aktör James Brolin'in oğlu olarak Santa Monica'da doğdu. 1972 doğumlu Jess adlı bir kardeşi vardır. Templeton'daki bir çiftlikte büyüdü. 16 yaşındayken anne ve babası boşandı. 1985 yapımı gençlik filmi The Goonies'deki rolüyle adını ilk kez sinema piyasasında duyurdu. 1986 yapımı Thrashin' filmindeki performansını başarısız bulmasının ardından uzun yıllar sinemadan uzak kaldı ve tiyatro ve dizilerde göründü. 1990'ların sonuna doğru, Mimic, Slow Burn gibi filmlerde oynadı. 2007 yapımı Coen Kardeşler filmi İhtiyarlara Yer Yok'ta (No Country For Old Men) Daniel Day-Lewis ve Paul Dano ile başrolü paylaştı. 2008'de Oliver Stone'un W. filminde Amerikan Başkanı George W. Bush'u canlandırdı. Milk ve True Grit gibi yapımların ardından Men in Black 3'te Tommy Lee Jones'un oynadığı Ajan K'nin gençlik yıllarındaki halini oynadı. Labor Day'de hapishane kaçağı Frank Chambers'ı canlandırdı. Spike Lee'nin aynı adlı Güney Kore filminden uyarladığı Oldboy'daki başrolünden sonra, Inherent Vice'taki rolüyle birçok ödül adaylığı kazandı. Marvel sinema evrenine Thanos karakteriyle dahil olan Brolin, Avengers filmlerinde bu karakterle izleyici karşısına çıktı. Sicario ve Everest'in ardından Marvel evreninin bir başka hikayesi olan Deadpool'un 2. filminde Calve (Nathan Summers) rolünü aldı.

1988-1994 yılları arasında Alice Adair ile evli kaldı. Bu evlilikten Trevor Mansur (d. 1988) ve Eden (d. 1994) adlarında iki çocuğu oldu. Minnie Driver'la bir dönem birlikte olduktan sonra 2004'te bir başka oyuncu Diane Lane ile evlendi. 2013'te ünlü çift boşandı. 2016'da eski asistanı ve model Kathryn Boyd ile 3. evliliğini gerçekleştirdi. 2018'de Westlyn Reign Brolin adında bir kızı daha dünyaya geldi.