Famosissimo negli anni Cinquanta come il biondo, mite, amabile Dottor Kildare, sembrava destinato al precoce tramonto di molti giovani «belli» televisivi. Invece, un'ottima esperienza teatrale, che ebbe quando la serie fu cancellata, gli permise di raccogliere meritati successi sul palcoscenico (un suo "Amleto" in Inghilterra) e in cinema (L'altra faccia dell'amore di Ken Russell) e poi ancora in tv, ma in ruoli di grosso peso che un tempo avrebbero spaventato il leggiadro dottorino «Kildare». Un paio di mini-serie hanno consacrato il suo mito divistico: Shogun e soprattutto Uccelli di rovo. Ma Chamberlain ha mostrato anche qualità superiori alla media in Colorado, Identità bruciata e Il veneziano, dove era un Giacomo Casanova decisamente più gentile, aristocratico e spiritoso di tutti i predecessori sul grande e piccolo schermo. Una volta raggiunta la fama, Chamberlain si assicura alcune partecipazioni ai più grandi telefilm del primo decennio del 2000: è in Nip/Tuck e in diversi episodi di Will & Grace. Nel 2007 ritorna con un ruolo importante nella commedia Io vi dichiaro marito e...marito e in Strength and Honour.
A marzo 2025 è venuto a mancare in seguito a un ictus, poco prima di compiere 91 anni.