Au gré des mutations de son père, il étudie successivement à Blida, Bône, Marseille, au Prytanée militaire de La Flèche, à Saint-Étienne et, enfin, à Strasbourg. C'est là qu'il prépare le bac et, surtout, suit ses premiers cours d'Art Dramatique. Il obtient un premier prix de comédie au Conservatoire de Strasbourg et entre ainsi au Centre Dramatique de l'Est, où il sera notamment l'interprète des Mains sales, de Bobosse, des Parents terribles, de Jean de la Lune ou du Barbier de Séville.

C'est avec Jean-Luc Gogard, Claude Chabrol, François Truffaut, et auprès de Darry Cowl, dans L'ami de la famille, que Jean-Claude Brialy débute au cinéma. Ces dernières années, il était devenu un second rôle de luxe, pour Patrice Chéreau, Sam Karmann, Claude Zidi, Bertrand Blier, Gérard Jugnot...

Pendant cinq ans, il s'occupe du Festival de théâtre d'Ajaccio. Le 1er février 1973, il sort son premier film de réalisateur, Volets clos. L'acteur fétiche de la Nouvelle Vague est ensuite devenu directeur du théâtre des Bouffes Parisiens. Il y connaît un grand succès. En 2000, il écrit Le Ruisseau des Singes, un livre qu'il vendra à 120 000 exemplaires.