Nato il 19 maggio 1944 a Barnes, nel sud ovest di Londra, ottenne il suo primo lavoro di attore nel 1976, quando i produttori del fantasy Sinbad and the Eye of the Tiger trovarono la sua fotografia in un articolo di giornale riguardante la sua altezza.
Mentre era impegnato nella ricerca del cast per il primo film di Guerre stellari, George Lucas si rese conto di aver bisogno di un attore molto alto per il personaggio del peloso alieno Chewbacca. Ciò portò Lucas a scovare Mayhew, il quale raccontò a posteriori che per ottenere la parte gli bastò stare fermo alzato in piedi davanti a Lucas.
Mayhew ha interpretato Chewbecca in quattro film della serie di Star Wars: la trilogia classica (Star Wars IV: Una nuova speranza, Star Wars V: L'impero colpisce ancora e Star Wars VI: Il ritorno dello Jedi), e il terzo capitolo dei "prequel" Star Wars: Episodio III - La vendetta dei Sith. Nel 2015 torna a vestire i panni del famoso alieno nel nuovo Star Wars: Il risveglio della forza diretto da J.J. Abrams.

Nel film Gli ultimi Jedi, a causa delle sue condizioni di salute, ha passato il testimone alla sua controfigura, Joonas Suotamo.

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