Il a été élevé à Fairmount, Indiana.

Sa carière à commencé à New York, avec des petits rôles dans des séries télévisées au début des années 1950. Puis il apparait sans être crédité dans quelques films. Mais il est enfin reconnu en 1955 pour son rôle dans East of Eden (À l'est d'Eden). Puis il a enchaîné avec un rôle dans Rebel Without a Cause (La fureur de vivre), puis en 1956 dans Giant (Géant).

James Dean est mort dans un accident de voiture dans une Porsche 550 Spyder, avant la sortie en salle de Giant. Il est enterré à Fairmount. Il est une des cinq personnes à avoir été nominé pour un Academy Award de meilleur acteur pour son premier grand rôle, et le seul à avoir été nomminé deux fois après sa mort.

Sa brève carrière et sa mort violente ont fait de James Dean un objet de culte intemporel.