Nasce ad Allendale, New Jersey, il 20 febbraio 1926. Passa la sua infanzia a Brooklyn, dove già a otto anni scrive e pubblica alcune poesie sul giornale Brooklyn Eagle. Nel 1943 si diploma alla Brooklyn Technical High School ed entra subito nell'esercito, dal quale viene congedato perché ferito in azione. Mentre lavora in fabbrica, sogna di diventare scrittore a tempo pieno. Intanto riprende un'idea avuta a diciassette anni vedendo il film Dracula, la sviluppa e realizza il famoso romanzo Io sono leggenda nel 1954. Due anni dopo esce Tre millimetri al giorno, scritto di notte dopo la giornata lavorativa, e il successo è tale che la casa cinematografica Universal ne acquista subito i diritti e ne trae il film Radiazioni BX distruzione uomo. Nel 1960 l'American International Pictures commissiona a Matheson l'adattamento cinematografico del racconto di Edgar Allan Poe La casa degli Usher. I vivi e i morti è il primo film di una serie che il regista Roger Corman realizza con la collaborazione di Matheson. La sua fama come sceneggiatore è ormai tale che nel 1962 viene chiamato da Alfred Hitchcock per lavorare al suo film Gli uccelli, tratto da un racconto di Daphne Du Maurier. Come Matheson stesso racconterà, Hitchcock non apprezzava affatto la sua idea di non far vedere per niente gli uccelli nel film, tanto che la sceneggiatura alla fine viene affidata ad Evan Hunter.
Nel 1964 esce il film L'ultimo uomo sulla terra, ispirato a Io sono leggenda una co-produzione italo-americana con Vincent Price protagonista. Ma il successo rimane nelle produzioni televisive: nel 1971 adatta un suo racconto per la sceneggiatura del film Duel, diretto dall'allora esordiente Steven Spielberg. Nel 1980 adatta per lo schermo Cronache marziane, l'antologia di Ray Bradbury, e nel 1983 scrive la sceneggiatura per Lo squalo 3.