Fils de l'acteur James Brolin et beau-fils de Barbra Streisand.

Josh Brolin débute sa carrière cinématographique de manière tonitruante. En 1985, à l'âge de 17 ans, il est choisi pour incarner l'un des jeunes héros (précisément le "grand frère" de la bande) du film d'aventure Les Goonies, réalisé par Richard Donner et écrit par Steven Spielberg. Après ce film culte, le jeune américain s'illustre beaucoup à la télévision (L'Equipée du Pony Express...) et sur scène, en fréquentant notamment le théâtre Geva de Rochester.

Au milieu des années 1990, Josh Brolin revient sur le devant de la scène cinématographique, multipliant les seconds rôles de qualité (Flirter avec les embrouilles, Le Veilleur de nuit, Mimic) jusqu'à faire face en 2000 à Kevin Bacon dans L'Homme sans ombre de Paul Verhoeven. Présent au générique des séries Mister Sterling (2002) et Into the West (2005), il tourne également pour Woody Allen (Melinda et Melinda) et n'hésite pas à mouiller le maillot pour le film d'aventure Bleu d'enfer (2006).

Etant parvenu à donner un second souffle à sa carrière, l'acteur ténébreux, marié à la ville avec la comédienne Diane Lane, impose son charisme dans le déjanté Planète terreur de Robert Rodriguez, et surtout chez les frères Coen avec No Country For Old Men (Oscar du Meilleur film). On le retrouve par ailleurs dans des rôles de flics peu intègres pour Dans la vallée d'Elah (2007) de Paul Haggis et American Gangster (id.) de Ridley Scott. L'année suivante, contre toute attente, Josh Brolin prête ses traits au chef d'Etat américain George W. Bush dans W. - L'improbable Président, le biopic réquisitoire mis en scène par Oliver Stone.

Après avoir endossé le rôle de l'assassin d'Harvey Milk (2009) et un redoutable trader dans Wall Street : l'argent ne dort jamais (2010), son deuxième film sous la houlette d'Oliver Stone, il collabore avec Woody Allen (Vous allez rencontrer un bel et sombre inconnu, id.) et les frères Coen (True Grit, 2011). En 2012, Josh Brolin investit la tête d'affiche du troisième volet de Men in Black en incarnant l'agent K (Tommy Lee Jones) jeune face à un agent J (Will Smith) qui voyage dans le passé. L'année suivante, il est à la tête d'un groupe de policiers coriaces qui entendent bien mener la vie dure au gangster Mickey Cohen dans le Los Angeles des années d'après guerre.

Actif, le comédien entame l'année 2014 avec Oldboy de Spike Lee, qui est le remake du film de Park Chan-Wook où il incarne le personnage principal séquestré pendant 20 ans, puis l'émouvant Last days of Summer réalisé par Jason Reitman. La même année, Josh Brolin se glisse dans la peau de Dwight pour les besoins de Sin City : j'ai tué pour elle. Incarnant un agent du gouvernement américain en guerre contre les cartels de drogue dans Sicario (2015) et sa suite (2018), Josh Brolin campe parallèlement le grand méchant Thanos dans les blockbusters Marvel Avengers: Infinity War (2018) et Endgame (2019), ainsi que le cyborg Cable dans Deadpool 2.

Il intègre ensuite la franchise SF Dune via le personnage de Gurney Halleck (qui donne lieu à deux films), tourne sous la houlette de Sean Penn dans Flag Day, et joue un éleveur du Wyoming qui se bat pour conserver ses terres dans la série Outer Range.