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 in L’albero della vendetta (1959) di Budd Boetticher, con,  Randolph Scotte ed in Il volto del fuggiasco (1959) di Paul Wendkos, con Fred MacMurray.

Nel ’60, al suo terzo film, entra a far parte della squadra de I magnifici sette (1960) di John Sturges, in cui recita con Yul Brynner, Eli Wallach, Steve McQueen, Charles Bronson, Brad Dexter,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 da i 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, Warren Oates e Ben Johnson, e ripreso in Giù la testa (1971) di Sergio Leone, con Rod Steiger.

Ottiene il su primo ruolo da protagonista in Il nostro agente Flint (1965) 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 recita con Kris Kristofferson, ed in  La croce di ferro (1977), con maximilian Schell.

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 recita con Kirk Douglas, e La seconda guerra civile americana (19979 di Joe Dante), mentre sul grande schermo appare ancora in Maverick (1994) di Richard Donner, Affliction (1997) di Paul Schrader, in cui recita con Nick Nolte e con cui vince 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, La grande fuga (1963) di John Sturges, con S. McQueen, Charles Bronson e Richard Attenborough, 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, 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, con Charlton Heston, La battaglia di Midway (1977) di Jack Smight, con C. 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, con Whoopy Goldberg e Maggie Smith, 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 in ntrepid -. La nave maledetta (2000) di John Putch, Proximity - Doppia fuga (2001) di Scott Ziehl e American Gun (2002) di Alan Jacobs.