Aparece en dos conocidos largometrajes: Grindhouse, de Tarantiono y Rodriguez, donde se le puede ver en Planet Terror, al lado de Rose McGowan y Naveen Andrews; y en la oscarizada cinta de los hermanos Coen No es País para Viejos, basada en la novela de Cormac McCarthy, coprotagonizada por Tommy Lee Jones y Javier Bardem.

Brolin debutó en el cine con la película Los Goonies, a la que siguió Flirteando  con el Desastre, La Sombra de la Noche, Mimic, Escuadrón Oculto, Destinos Cruzados, El Hombre sin Sombra, Coastlines, Milwuakee, Minessota, Melinda y Melinda e Inmersión Letal.

En TV, Brolin tuvo un personaje regular en las series Jóvenes jinetes, Mike Hammer: detective privado y Winnetka Road. También interpretó al personaje que daba nombre a la serie Mister Sterling y recientemente fue elogiado por su papel en la miniserie Into the West. Otros notables telefilmes de su carrera son Prison for Children, Corrupción policial y Picnic.

En teatro, Brolin protagonizó junto a Elias Koteas la producción de Broadway de Sam Shepard True West y la obra del Off-Broadway The Exonerated. Otros títulos de Brolin en el escenario son The Skin of Our Teeth, The Crucible, Un tranvía llamado deseo, El sueño de una noche de verano y Dark of the Moon.