Anyját korán elveszítette, ettől kezdve nagyszülei nevelték a középnyugati Fairmont városka közelében egy farmon. A Kaliforniai Egyetemre iratkozott be, de 1951-ben félbehagyta tanulmányait, hogy főállású színész lehessen - döntése miatt megromlott kapcsolata apjával. Sikerült is elcsípnie néhány kisebb szerepet és reklámszerződést, de jobbára csak küszködött Hollywoodban. Pártfogói tanácsát megfogadva New Yorkba költözött, beiratkozott Lee Strasberg híres színészképző iskolájába, miközben színházi jegyszedőként dolgozott.

1954-ben egy arab gigolót játszott a Broadwayn, ekkor fedezte fel a James Steinbeck Édentől keletre című művének megfilmesítésére készülő Elia Kazan rendező. Cal Trask, az apai szeretet után sóvárgó fiú szerepe meghozta számára a világhírt. Hasonló szenzibilis, féktelen, türelmetlen, ám ezzel együtt szeretni való jellemet formált meg a következő évben a Haragban a világgal című filmben is, úgy szólaltatva meg nyugtalan nemzedéke, az Eisenhower-korszak ifjúságának életérzését, ahogyan arra addig senki sem volt képes. E két film elegendő volt ahhoz, hogy megalapozza a James Dean-kultuszt.

Megdöbbentő népszerűségét természetesen kihasználta a filmipar, a Warner Brothers még a film forgatása közben megemelte a Haragban a világgal költségvetését, és az addig fekete-fehérben forgatott jeleneteket is színes, szélesvásznú változatban készítették el. Dean hét évre szóló szerződést kötött a stúdióval, s Rock Hudson és Elizabeth Taylor mögött a harmadik legjobban fizetett sztárja volt az Óriás című filmnek.

Alig több mint egy év, három film: az övé volt az egyik leglátványosabban rövid karrier a filmvilágban, ráadásul a három közül két alakításáért (Édentől keletre, Haragban a világgal) Oscar-díjra jelölték, mindkétszer posztumusz, ami a mai napig rekord.

Ha nem forgatott, autóversenyzés töltötte ki idejét. Imádta a gyors sportkocsikat, és ez lett a végzete is. Az Óriás befejezése után vásárolt egy Porsche 550 Spydert, amellyel benevezett a salinasi autóversenyre. 1955. szeptember 30-án a verseny helyszínére tartott, amikor Paso Robles közelében több mint 115 mérföldes (185 kilométeres) sebességgel belerohant egy útkereszteződésben egy másik autóba. Azonnal meghalt.

Halála valóságos hisztériát keltett, példátlan gyásszal siratták el, kultuszát ma is ápolják. Fairmontban temették el, síremlékét többször ellopták, de eddig mindig megkerült. Rövid életéről könyvek hosszú sora jelent meg, slágerek tucatjában énekelték meg, halálának 40. évfordulóján, 1995-ben az amerikai posta 325 millió példányban bocsátott ki bélyeget az egykori filmsztár arcképével. Életéről dokumentumfilmek és játékfilmek készültek. A hagyatékát gondozó alap még ma is évente 5 millió dollárral gyarapszik.