Josh Brolin 1968 február 12-én született Los Angelesben, Jane Cameron Agee környezetvédelmi aktivista, és James Brolin színész gyermekeként . Szülei válása után apja feleségül vette Barbra Streisand énekes-színésznőt. A kis Josh eleinte nem igazán törődött a színészi karrierjével, csak a gimnáziumi szinházi osztály elvégzése után kezdte érdekelni a színjátszás.
Karrierjét televiziós filmekben, és show-műsorokban kezdte, mielőtt fontosabb szerepet kapott a Richard Donner által rendezett Kincsvadászok című filmben 1985-ben.
Második filmje, a Thrashin után, sokáig szüneteltette filmes karrierjét. Csak sorozatokban, és szinházi szerepekben láthattuk viszont.
1987-ben Tom Hason szerepére jelentkezett a 21 Jump Street című sorozatban. A szerepet végül Johnny Depp kapta meg, Brolin pedig vendégszerepet kapott a sorozat első évadjának egyik epizódjában. Karrierje egyik kiemelkedő szerepét, az ABC western sorozatában, a The Young Ridersben kapta. Három évadon keresztül, 1989–1992 között játszotta James Butler Hickok karakterét.
Brolin előszeretettel bújik negatív figurák bőrébe. Ilyen negatív szerepe volt a 2005-ös Into the Blue-ban Bates karaktere Paul Walker, és Jessica Alba oldalán.
2007 igen termékeny év volt számára. Szerepelt a Grindhousban, a Planet Terrorban, jelentős szerepet kapott a Coen testvérek Oscar díjas filmjében, a Nem vénnek való vidékben. Szerepelt még az Elah völgyében című drámában, és az Amerikai gengszterben Russell Crowe, és Denzel Washington mellett.
2008-ban Oscar díjra jelölték a Milkben nyújtott alakításáért. Még ugyanebben az évben főszerepet játszott az Oliver Stone által rendezett W című életrajzi drámában. A film az egykori amerikai elnök, George W. Bush életébe nyújt betekintést.
2010-ben ismét negatív szerepekben láthattuk, a Tőzsdecápák: A pénz nem alszik című drámában, és a Coen testvérek által rendezett A félszeműben.
2012-ben a Sötét zsaruk 3 című nagy sikerű sci-fi-ben kapott jelentős szerepet. Ő játszhatta a fiatal K ügynököt Tommy Lee Jones, és Will Smith oldalán.
2013-ban került a mozikba a Gengszterosztag című filmje, melyben Sean Penn, és Ryan Gosling voltak a partnerei. A Labor Day című filmjének a premierje augusztus 29-én volt a Telluride Filmfesztiválon, melyet a Totontói Nemzetközi Filmfesztiválon történt bemutató követett. A Jason Reitman által rendezett filmben Kate Winslett volt a partnere, és 2014 január 31-től volt látható az amerikai közönség számára. 2014 augusztusában mutatták be a 2005-ben nagy sikert aratott Sin City folytatását, melyben Dwight McCarthy-t alakította olyan partnerek mellett, mint Jessica Alba, vagy Mickey Rourke. Ugyancsak 2014-ben a New York Filmfesztiválon mutatták be az Inherent Vice című filmjét, melyet Paul Thomas Anderson rendezett, és olyan híres kollégák mellett láthattuk, mint Joaquin Phoenix, vagy Owen Wilson.
1988–1992 között Alice Adair volt a felesége. Két gyermekük született.
Hat hónapig Minnie Driver volt a menyasszonya.
2004-ben összeházasodott Diane Lane színésznővel, de ez a házassága is válással végződött 2013-ban.
