Josh Brolin est le fils de l'acteur James Brolin et de l'activiste Jane Cameron Agee. Il est devenu le beau-fils de Barbra Streisand lorsque son père épousa cette dernière.
Josh Brolin commence sa carrière à la télévision avant de se faire engager par Richard Donner pour les Goonies où il obtient l'un des premiers rôles. Suite au succès du film, il se voit proposer le rôle principal de la série 21 Jump Street, rôle qui reviendra au débutant Johnny Depp.
Même si on le voit au cinéma ou à la télévision (comme par exemple dans la série L'Equipée du Poney Express), c'est surtout au théâtre qu'il travaille les années suivantes. Il faudra attendre le milieu des années 90 pour le voir revenir sur grand écran, majoritairement dans des rôles secondaires, et à partir du début du XXIème siècle, Josh Brolin voir sa carrière prendre un nouvel essor, grâce à des films comme Hollow Man, Bleu d'enfer, mais surtout Planète terreur, No Country for Old Men, American Gangster, dans la vallée d'Elah, W.: l'improbable président, et bien sur Harvey Milk, qui lui vaut d'être nommé aux Oscars.
 
Josh Brolin est marié depuis 2004 à l'actrice Diane Lane.