Został odkryty w wieku 10 lat przez Lloyda Bridgesa, który obsadził go w sztuce Stone Jungle, którą reżyserował. Trzy lata później, zadebiutował na ekranie w komediodramacie fantasy Josepha Loseya Chłopiec z zielonymi włosami (The Boy with Green Hair, 1948) u boku Deana Stockwella. W dramacie sportowym The Kid from Cleveland (1949) po raz pierwszy zagrał główną rolę niespokojnego nastoletniego kibica Johnny’ego Barrowsa, któremu pomaga jego ulubiona drużyna baseballowa – Cleveland Indians.
Karierę artystyczną kontynuował w połowie lat 60.; jego prace były prezentowane na wielu wystawach w galeriach i muzeach, w tym w Los Angeles Institute of Contemporary Art i Los Angeles County Museum of Art. W serialu Miasteczko Twin Peaks (1990–1991) wystąpił w roli psychiatry Lawrence’a Jacoby’ego. W 2002 wziął udział w trasie koncertowej Neila Younga Greendale jako reżyser, choreograf i aktor.
14 lutego 1956 ożenił się z aktorką Venetią Stevenson. Rozwiedli się 1 kwietnia 1957. 7 maja 1960 poślubił tancerkę Sheilę Elizabeth Kempton, z którą ma córkę Chinę Faye. W późniejszych latach Tamblyn odkrył, że ma córkę, o której wcześniej nie wiedział od lat 60., z Elizabeth Anne Vigil. 18 grudnia 1979 doszło do rozwodu. W 1981 ożenił się z Bonnie Margaret Murray, z którą ma córkę Amber Tamblyn (ur.