Jean-Claude Bouillon est surtout connu pour son interprétation du commissaire Valentin dans la série télévisée Les Brigades du tigre, dont la diffusion s'étale de 1974 à 1983.
Il fait ses débuts de comédien au TNP en 1966 dans Chant public devant deux chaises électriques d'Armand Gatti, puis enchaîne les rôles principaux dans plusieurs films : Made in USA (1966) de Jean-Luc Godard, Le Dernier Homme (1968) de Charles Bitsch, Le Champignon (1969) de Marc Simenon, où il est le mari de Mylène Demongeot, et Hellé (1972) de Roger Vadim.