Chamberlain je v soboto zvečer po krajevnem času v Waimanalu na Havajih umrl po zapletih zaradi možganske kapi, le dva dni pred svojim 91. rojstnim dnevom.

Veliki uspeh je doživel z naslovno vlogo Jamesa Kildarea v priljubljeni zdravniški seriji dr. Kildare leta 1961, ko je imel vsega 27 let. Za vlogo je leta 1963 prejel zlati globus.

V 70. letih prejšnjega stoletja je ustvaril pomembnejše vloge v filmih, kot so Lady Caroline Lamb (1972), v katerem je upodobil lorda Byrona, Trije mušketirji (1973) in Grof Monte Kristo (1975). Leta 1976 je svoj pevski talent pokazal v muzikalu o Pepelki The Slipper and the Rose.

V poznih 70. in 80. letih se ga je oprijel vzdevek kralj mini serij. Med drugim je zaigral v seriji Šogun in priljubljeni televizijski nadaljevanki Pesem ptic trnovk, v kateri je nastopil v vlogi privlačnega duhovnika.

Je tudi prvi igralec, ki je odigral vlogo Jasona Bourna, naslovnega junaka televizijske miniserije The Bourne Identity (1988).

V 90. letih je nastopal na Broadwayju. V zadnjih letih pa je nastopal v manjših vlogah v priljubljenih serijah, kot so Razočarane gospodinje, Spamalot, Zadoščenje ter Bratje in sestre. Njegov zadnji film je Finding Julia iz leta 2019.

Čeprav so mu pripisali številne ljubezenske afere, tudi s partnerko Rachel Ward iz serije Pesem ptic trnovk, pa je Chamberlain šele pozneje, pri skoraj 70 letih, razkril svojo homoseksualno usmerjenost. Njegov dolgoletni partner Martin Rabbett ga je v izjavi ob njegovi smrti označil za "neverjetno in ljubečo dušo".