James Dean est né à Marion dans l’Indiana le 8 février 1931, fils unique de Winton et Mildred Dean. Six ans après que son père a abandonné son travail à la ferme pour devenir dentiste, sa famille partit s’installer à Santa Monica en Californie. James Dean entra alors à la public school du quartier de Brentwood à Los Angeles, jusqu’à la mort de sa mère en 1940, décédée des suites d’un cancer du col utérin (James Dean ne le sut apparemment pas, il s'agissait d'un sujet tabou à l'époque) alors qu'il avait 9 ans, ce qui le laissa dans un profond désarroi.

James Dean fut alors envoyé dans l’Indiana à Fairmount, pour vivre chez son oncle et sa tante, Marcus et Ortense Winslow. Là il a eu une éducation quaker. Au lycée, il s’initia au théâtre et pratiqua le basket-ball. Sa taille de 1m73 (selon IMDB) ne l’empêcha pas d’être un très bon joueur mais sa myopie l'empêcha de se révéler complètement dans ce sport. Après avoir obtenu son diplôme en 1949, alors qu'il avait 18 ans, il quitta Fairmount pour Los Angeles, où il rejoignit son père qui s'était remarié.

Il entra à l'Université de Santa Monica où il fut intégré dans la confrérie des Sigma Nu. Il fut ensuite transféré vers l’Université de Californie à Los Angeles. C’est à cette époque qu’il s’investit totalement dans le théâtre, provoquant une grande cause de désaccord avec son père : il le quitta pour vivre dans un appartement avec son ami William Bast. Ses sources de revenus venaient de petits boulots qu'il exerçait, comme, par exemple, gardien de parking.

James Dean commença sa carrière d’acteur en tournant dans une pub pour le Pepsi-Cola. Il quitta l’université pour pouvoir se consacrer entièrement à sa passion de comédien et suivit des cours de comédie à l'Actors Studio de New York. Il fit alors des apparitions dans différentes séries de télévision comme : Kraft Television Theater, Studio One, Lux Video Theatre, Danger, Robert Montgomery Presents et General Electric Theater.

Il joua également au théâtre où il connut un grand succès à Broadway à New York dans la pièce d’André Gide, L'Immoraliste, qui le propulsa dans le monde du cinéma.

Il apparut dans différents films peu connus, mais c’est son rôle de Cal Trask dans À l’est d’Éden, où il reçut d’ailleurs une nomination aux Oscars dans la catégorie meilleur second rôle masculin (première nomination posthume de l’histoire des Oscars), qui le rendit célèbre et révéla tout son génie dramatique. Il enchaîna ensuite avec La Fureur de vivre, puis Géant, son dernier film pour lequel il reçut également une nomination aux Oscars dans la catégorie meilleur acteur.