Nato nel Sud degli Stati Uniti, nella Savannah popolata di artisti ambigui e proditori secondo la visione di Clint Eastwood (Mezzanotte nel giardino del bene e del male), James Keach è figlio d'arte. Il padre (1914-2003) è Stacy Keach, indimenticato protagonista di numerose serie televisive degli anni d'oro della televisione americana (Colt. 45, Maverick, The Dick Van Dyke Show, Perry Mason, Bonanza, Kojak, Dynasty), la madre si chiama Mary Kain Keach.
I casi della vita lo portano spesso, se non sempre, alla frequentazione del mondo cinematografico attraverso la conoscenza diretta della sua fauna umana: il fratello di poco più grande (classe 1941), Stacy Keach, è attore anch'egli, e tutte attrici saranno le sue tre mogli. La prima, Holly Collins, è addirittura la sorella della superstar Judy, e da lei avrà il figlio Kalen, ovviamente destinato a una precoce carriera nella recitazione (interpreterà, come primo ruolo, il piccolo Jesse ne I cavalieri dalle lunghe ombre). In seconda e in terza unione sposerà rispettivamente Mimi Maynard e Jane Seymour: da quest'ultima, incontrata sul set di Sunstroke (1993) dai due co-prodotto e successivamente sua attrice feticcio, avrà i gemelli John Stacy e Kristopher Steven, ai quali sarà dedicata una serie di libri per bambini illustrati da Geoffrey Planer (This One and That One).
Laurea alla Northwestern University di Evanston (Illinois) seguita da un Master in Fine Arts alla Yale School of Drama, James Keach ha una formazione da attore teatrale: il suo primo insegnante fu Joseph Papp del New York Shakespeare Festival. È a teatro che comincia a distinguersi, iniziando lunghe tournée con il Body Politic Theater di Chicago, ma è in televisione che ottiene il suo primo ruolo importante, come uno dei fratelli aviatori Wright in una celebre riduzione biografica del 1972.
È il cinema, tuttavia, che lo rende più visibile e, dunque, popolare. Il fratello Stacy, già lanciato, gli permette più volte di essere accreditato insieme a lui, e questa diverrà in seguito una costante anche in senso poetico. Più magro di Stacy, James Keach comincia con ruoli di contorno, personaggi spesso cattivi, ostili o minacciosi. Il fisco imponente, i lineamenti squadrati e gli abituali baffi (portati dal 1971 al 1991) lo rendono un volto apprezzato e presto immediatamente riconoscibile. Alla fine degli anni Settanta, ha già lavorato per Alan J. Pakula, Jon Troell, Neil Simon.
Il 1980 è l'anno del suo turning point: sempre insieme al fratello Stacy, produce, sceneggia e interpreta I cavalieri dalle lunghe ombre (The Long Riders) di Walter Hill, un western sui generis incentrato sulle figure storiche di leggendari fuorilegge: gli Youngers (interpretati dai fratelli Carradine, David, Keith e Robert), i Millers (interpretati dai fratelli Randy e Dennis Quaid), i Fords (interpretati da Nicholas e Christopher Guest) e, infine, Frank e Jesse James (i Keach, appunto). Il film, cadenzato dalla colonna sonora di Ry Cooder, diventa immediatamente un classico, anche se questo non intacca le scelte e l'understatement del Keach minore, che continuerà a preferire ruoli di supporto. Subito dopo, compare solo come poliziotto di strada nel primo National Lampoon's Vacation(1983) di Harold Ramis e in pochi altri film.
A metà anni Ottanta, James Keach si pone come prioritaria la carriera dietro le quinte, diventando prima soggettista per il lancio di John Candy e Eugene Levy, poi regista, nel 1990, esordendo con un thriller prodotto dalla mitica RKO, False Identity, interpretato dal fratello e da Genevieve Bujold. Prosegue nel 1995, ottenendo l'insuccesso del pubblico e il plauso di qualche critico, con The Stars Fell on Henrietta, un dramma ambientato nel Texas della Grande Depressione coprodotto dalla Warner Bros e dalla Malpaso Productions di Clint Eastwood e interpretato dagli amici colleghi Robert Duvall, Frances Fisher, Aidan Quinn.
In televisione le cose vanno meglio. L'accordo con il network USA gli fa produrre telefilm come The Forgotten (1989), Praying Mantis (1993), Dr. Quinn, Medicine Woman (serie televisiva nel 1993, film nel 1999).
È più recente il documentario Disease of the Wind (2002), girato grazie al sostegno dell'American Red Cross e alle iniziative umanitarie di questa associazione dedicato. L'opera ottiene finalmente numerosi premi e il plauso unanime della critica.
Nel 2005, come portando a compimento la ventennale amicizia con Johnny Cash, James Keach produce e interpreta Walk the Line, il biopic incentrato sulla figura del famoso cantante country.
