Fils de l'acteur James Brolin, Josh Brolin naît à Los Angeles et s'entraîne à l'art dramatique au Film Industry Workshops et avec les professeurs Stella Adler et Sandra Seacat.

Il débute adolescent dans LES GOONIES (Richard Donner, 1985) et devient vedette de séries télévisées qui le popularisent auprès du public américain : PRIVATE EYE, L'ÉQUIPÉE DU PONEY EXPRESS et WINNEKTA ROAD (1987-1994).

Le cinéma le retrouve dès le milieu des années 1990 chez Mario & Melvin Van Peebles (GANG IN BLUE), David O. Russell (FLIRTER AVEC LES EMBROUILLES), Guillermo Del Toro (MIMIC) et Ole Bornedal (LE VEILLEUR DE NUIT) (1996-1998).

Œuvrant souvent au théâtre comme acteur et metteur en scène, il joue aussi sous la direction de Paul Verhoeven (L'HOMME SANS OMBRE, 2000) et Woody Allen (MELINDA ET MELINDA, 2004).

Marié une première fois à l'actrice Alice Adair, il partage la vie de sa consœur Diane Lane depuis 2002.

Il marque à nouveau le petit écran en héros sénateur de MISTER STERLING (2003) et reste à l'aise dans des projets singuliers (MILWAUKEE MINNESOTA, Allan Mindel, 2003) comme dans le cinéma d'action (BLEU D'ENFER, John Stockwell, 2005).

Sa côte et sa notoriété internationale grimpent en 2007 avec les sorties de PLANÈTE TERREUR (Robert Rodriguez), DANS LA VALLÉE D'ELAH (Paul Haggis), AMERICAN GANGSTER (Ridley Scott), THE DEAD GIRL (Karen Moncrieff) et du salué NO COUNTRY FOR OLD MEN (les Coen), où son physique de beau gosse américain joue des ombres.

Il marque en George W. Bush du biopic incisif d'Oliver Stone W., L'IMPROBABLE PRESIDENT, et affronte Sean Penn en rival homophobe de HARVEY MILK (Gus Van Sant, 2008) et de Mickey Cohen dans GANGSTER SQUAD (Ruben Fleischer, 2013).

Prisé des réalisateurs, il retrouve Allen (VOUS ALLEZ RENCONTRER UN BEL ET SOMBRE INCONNU), Stone (WALL STREET, L'ARGENT NE DORT JAMAIS) et les Coen (TRUE GRIT) (2010), du bouleversement sentimental londonien au western pur jus.

Dans la fable fantastique, il devient le justicier invincible JONAH HEX (Jimmy Hayward, 2010) et l'Agent K jeune dans MEN IN BLACK III (Barry Sonnenfeld, 2012) face à Will Smith, avant d'incarner OLDBOY dans le remake de Spike Lee (2013).