C'est durant ses années d'études à l'Université de Pomona en Californie, que Richard Chamberlain se découvre une passion pour la scène. Partant faire son service militaire durant 16 mois en Corée du Sud, il perd une grande opportunité de signer un contrat avec la Paramount. A son retour, il s'installe à Hollywood et décroche de petits rôles pour la télévision, souvent le temps d'un épisode, notamment dans la série Alfred Hitchcock presents. Il fait ses débuts sur grand écran en 1960 avec The Secret of the Purple Reef, aux côtés d'un jeune premier : Peter Falk. Ce n'est qu'en 1961 qu'il s'attire les faveurs du public, avec l'immense succès de la série Dr. Kildare. La première d'une prolifique carrière au sein de l'industrie télévisée.
Après quelques films mineurs au début des années 1960, il rencontre Richard Lester qui lui propose le rôle-titre de Petulia; le premier d'une fructueuse collaboration. Un film plébiscité par le public et la critique dans lequel il donne la réplique à George C. Scott et Julie Christie. Dans les années 1970, il multiplie les projets pour le cinéma : Jules César où il donne la réplique à Charlton Heston; des films de capes et d'épées sous la direction de Richard Lester, comme Les Trois Mousquetaires et sa suite. L'acteur retrouvera une dernière fois le cinéaste en 1989 pour Le Retour des mousquetaires. En 1974, le film catastrophe La Tour infernale, qui remporte 3 Oscars, est l'un des plus grands succès de la décennie. Ce que n'atteindra pas L'Inévitable catastrophe (1978) qui est échec cuisant. En 1977, l'Australien Peter Weir lui donne le rôle principal de l'étrange Derniere Vague, un film teinté de surnaturel plongeant au coeur de la culture aborigène. Au milieu des années 1980, il tente de surfer sur le succès des Indiana Jones avec le dyptique Allan Quatermain et les mines du roi Salomon et Allan Quatermain et la cité de l'or perdu.
Pourtant, sa carrière au cinéma n'a jamais vraiment décollé, souvent réduit à jouer les seconds couteaux. Dès les années 1970, et surtout les années 1980, il se tourne vers le petit écran. En 1975, il incarne un Comte de Monte-Cristo qui ravie le public, avant de prêter ses traits deux ans plus tard au Roi Louis XIV dans une adaptation de L'homme au masque de fer. En 1980, il incarne, aux côtés du grand Toshirô Mifune le Major Anglais John Blackthorne, pris dans la tourmente d'un Japon féodal dans la mini-série Shogun, d'après l'oeuvre de James Clavell. 1983 marque sans doute l'apogée de sa carrière à la télévision avec la mini-série Les Oiseaux se cachent pour mourir, d'après le best-seller de Colleen McCullough. L'histoire des amours impossibles du prêtre Ralph de Bricassart fait pleurer des dizaines de millions de personnes dans le monde, et raffle 4 Golden Globs en 1984, dont celui du meilleur acteur pour Chamberlain. La suite, sortie en 1996, ne rencontre toutefois pas le même écho.
Dans les années 1990-2000, l'acteur tourne peu, jouant le plus souvent les guests-stars dans les séries comme Will & Grace ou Nip/Tuck. En semi-retraite à Hawaiï, il écrit en 2003 ses mémoires, "Shattered Love", dans lesquelles il révèle officiellement son homosexualité et sa souffrance d'avoir gardé le silence durant des décennies, afin de protéger son image et sa carrière.