Nato a Laurel - nel Nebraska - nell’agosto 1928, esordisce in televisione all’inizio degli anni Cinquanta, recitando in alcune serie western che, alla fine del decennio, gli faranno ottenere ruoli secondari in L’albero della vendetta (1959) di Budd Boetticher, con  Randolph Scott e ed in Il volto del fuggiasco (1959) di Paul Wendkos, con Fred MacMurray.

L’anno seguente, 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 Bucholz 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, Senta Berger, 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), 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, 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, con Mel Gibson, Affliction (1997) di Paul Schrader, 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, Tempo di guerra, tempo d’amore (1964) di Arthur Hiller, con Julie Andrews (al suo secondo film), 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, Candy e il suo pazzo mondo (1968) di Christian Marquand, La poiana vola sul tetto (1970) di Sidney Lumet, Il caso Carey (1972) di Blake Edwards, L’esibizionista (1972) di Steve Inhat, 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, Jackpot (1975) di Terence Young, Gli ultimi giganti (1976) di Andrew V. McLagen, con Charlton Heston, La battaglia di Midway (1976) di Jack Smight, con C. Heston, Henry Fonda, Glenn Ford, Robert Mitchum e Toshiro Mifune, Gli uomini falco (1976) di Douglas Hickox, Goldengirl - la ragazza d’oro (1979) di Joseph Sargent, Bocca da fuoco (1979) di Michael Winner, con Sophia Loren, Baltimora Bullett (1980) di Robert Ellis Miller, Quattro passi sul lenzuolo (1980) di J. Smight, Mr Patman (1980) di John Guillermin, Ad alto rischio (1981) di Stewart Raffill, L’avventura di Martin (1985) di Alan Gibson, Death of a Soldier (1986) di Philippe Mora, Young Guns II - La leggenda di Billy 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, Intrepid -. La nave maledetta (2000) di John Putch, Proximity - Doppia fuga (2001) di Scott Ziehl, American Gun (2002) di Alan Jacobs.

Attivo anche in televisione, è apparso in vari film tv - Digital Dreams (1983) di Robert Dornhelm, La legge del padre (1985) di Peter Werner, True Facts (1992) di Dan Guntzelman, Volo 232 - Atterraggio di emergenza (1992) di Lamont Johnson, Mastergate (1992) di Michael Engler, Ray Alexander: A Taste for Justice (1994) di Gary Nelson, Greyhounds (1994) di Kim Manners, L’angelo della vendetta (1995) di Craig R. Baxley, Incontro di Natale (1995) di David Hemmings, The Cherokee Kid (1996) di Paris Barclay, Skeletons (1997) di David DeCoteau, Mr. Murer (1998) di Dick Lowry, L’arca di Noè (1998) di John Irvin, La verità nascosta (2000) di Carl Schenkel, Walter e Henry (2001) di Daniel Petrie - ed in alcuni episodi di serie e miniserie - Carovane verso il West (1958), Alfred Hitchcock Presents (1958; 1959), The Rifleman (1958; 1961), The Californians (1959), Le leggendarie imprese di Wyatt Earp (1959), Have Gun - Will Travel (1959-60), Bonanza (1959-62), Ricercato vivo o morto (1959; 1960), Lawman (1960), La valle dell’oro (1960-61, nove episodi), Gli intoccabili (1961), Perry Mason (1961; 1962),  Cheyenne (1961), Gli uomini della prateria (1962), Scacco matto (1962), La città in controluce (1962), Ai confini della realtà (1963), Route 66 (1964), La parola alla difesa (1964), La valle delle bambole (1981), Malibu (1983), La signora in giallo (1992), Profiler - Intuizioni mortali (1997),

Molto nota era la passione di James Coburn 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.