Nato a Laurel - nel Nebraska - nell’agosto 1928, decide di far l’attore fra la fine  degli anni Quaranta e l’inizio dei Cinquanta e tenta la via della televisione, recitando in alcune serie western che, alla fine del decennio, gli faranno ottenere un ruolo secondario ne L’albero della vendetta (1959) di Budd Boetticher, suo esordio cinematografico, e ne Il volto del fuggiasco (1959) di Paul Wendkos. Nel ’60, al suo tezo film, entra a far parte della squadra de I magnifici sette (1960) di John Sturges, in cui lavora con Yul Brynner, Eli Wallach, Steve McQueen, Brad Dexter, Charles Bronson, Robert Vaughn e Horst Bucholtz interpretando Britt, il beffardo pistolero abilissimo anche nel lancio del coltello, e che cadrà (insieme ad altri tre "colleghi" nello scontro finale per difendere il villaggio messicano dai banditi. Un personaggio con numerose sfumature romantiche che verrà “configurato” qualche anno dopo in Sierra Charriba (1965) di Sam Peckinpah, con Charlton Heston, Richard Harris e Warren Oates, e ripreso in Giù la testa (1971) di Sergio Leone, in cui recita con Rod Steiger.

Ottiene il su primo ruolo da protagonista ne Il nostro agente Flint (1966) di Daniel Mann, rivelando anche una verve satirico-umoristica in film come Alle donne piace ladro (1966) di Bernard Girard, Papà, ma cosa hai fatto in guerra? (1966) di Blake Edwards, A noi piace Flint (1967) di Gordon Douglas, La vecchia legge del West (1967) di William A. Graham.

Torna a personaggi dal profilo drammatico in Uno sporco contratto (1969) di S. Lee Pogostin, in cui è un killer che commette l’errore di innamorarsi e per questo motivo fallisce un contratto.

Viene poi nuovamente diretto da Sam Peckinpah in Pat Garrett & Billy the Kid (1973), in cui lavora con Kris Kristofferson, e ne La croce di ferro (1977).

Nel corso degli anni Ottanta e Novanta  interpreta vari film per la televisione (fra cui Coppia di Jack - 1984, conosciuto anche con il titolo Lo sceriffo e il bandito - di Steven Hilliard Stern, in cui lavora con Kirk Douglas, e La seconda guerra civile americana - 1997 - di Joe Dante), mentre sul grande schermo appare ancora in Maverick (1994) di Richard Donner, Affliction (1997) di Paul Schrader, in cui lavora con Nick Nolte vincendo un Oscar come Miglior Attore Non Protagonista.

Fra gli altri film ricordiamo L’inferno è per gli eroi (1962) di Don Siegel, con Steve McQueen, Fess Parker e Harry Guardino, La grande fuga (1963) di John Sturges, con Steve McQueen, Richard Attenborough e Charles Bronson, Sciarada (1963) di Stanley Donen, con Cary Grant, Audrey Hepburn, Walter Matthau e George Kennedy, Il codice della pistola (1963) di William Conrad, Ciclone sulla Giamaica (1965) di Alexander MacKendrick, Il caro estinto (1965) di Tony Richardson, La folle impresa del dottor Schaefer (1967) di Theodore J. Flicker, Duffy, il re del doppio gioco (1968) di Robert Parrish, La poiana vola sul tetto (1970) di Sidney Lumet, Il caso Carey (1972) di Blake Edwards, Una ragione per vivere e una per morire (1973) di Tonino Valerii, in cui lavora con Bud Spencer, Un rebus per l’assassino (1973) di Herbert Ross, Il professionista (1973) di Bruce Geller, Progetto micidiale (1974) di Ken Hughes, Stringi i denti e vai! (1975) di Richard Brooks, con Gene Hackman, Candice Bergen e Ben Johnson, L’eroe della strada (1975) di Walter Hill, con Charles Bronson e Jill Ireland, Gli ultimi giganti (1977) di Andrew V. McLagen, in cui lavora con Charlton Heston, La battaglia di Midway (1977) di Jack Smight, con Charlton Heston, Henry Fonda, Toshiro Mifune, Glenn Ford e Robert Mitchum, Goldengirl (1979) di Joseph Sargent, Baltimora Bullett (1980) di Robert Ellis Miller, Ad alto rischio (1981) di Stewart Raffill, Young Guns II - La leggenda di Bily the Kid (1990) di Geoff Murphy, Hudson Hawk, il mago del furto (1991) di Michael Lehmann, Sister Act 2- Più svitata che mai (1993) di Bill Duke, Inganno fatale (1995) di Strathford Hamilton, L’eliminatore (1996) di Chuck Russell.

Molto nota era la passione di James Coburn nutriva per le automobili. Negli anni Sessanta acquistò una Ferrari 250 Gt (chassis 2445GT) realizzata a Modena dalla Carrozzeria Sports Cars di Piero Drogo. Qualche anno dopo la vendette a John Calley, noto produttore cinematografico e presidente della Sony Pictures Entertainment.

Le sue ultime apparizioni cinematografiche sono state in Intrepid -. La nave maledetta (2000) di John Putch, Proximity - Doppia fuga (2001) di Scott Ziehl e American Gun (2002) di Alan Jacobs.