z domu Matthews) i Charlesa Axioma Chamberlaina, fabrykanta / sprzedawcy. Jego rodzice byli aktywnymi i długoletnimi stałymi członkami Anonimowych Alkoholików i Alanon. Jego rodzina była pochodzenia angielskiego i miała korzenie niemieckie, irlandzkie i walijskie. Wychowywał się ze starszym bratem Billem (ur. 1926). W 1952 ukończył szkołę średnią w Beverly Hills. Uczęszczał potem na kierunek Sztuki Stosowanej w Pomona College w Clermont w stanie Kalifornia, gdzie występował w przedstawieniach studenckich w grupach teatralnych i zdecydował, że aktorstwo to jego prawdziwe powołanie. Po dwóch latach służby wojskowej w Korei (zdobył stopień sierżanta) powrócił do Hollywood. W latach 1957–58 uczęszczał na kurs aktorski pod kierunkiem Jeffa Coreya.
Kariera Po raz pierwszy na małym ekranie wystąpił w jednym z odcinków serialu Alfred Hitchcock przedstawia (Alfred Hitchcock Presents, 1959). Rok później zadebiutował na kinowym ekranie w dramacie kryminalnym Tajemnica fioletowej rafy (The Secret of the Purple Reef, 1960) u boku Petera Falka. Światowy rozgłos zyskał dzięki tytułowej roli lekarza Jamesa Kildare w serialu NBC Doktor Kildare (Dr.