Urodzony 3 lipca 1928 roku w Łodzi, gdzie w 1954 ukończył Państwową Wyższą Szkołę Aktorską. W tym samym roku zadebiutował jako aktor, a dziewięć lat później jako reżyser teatralny. Początkowo swoją karierę wiązał z reżyserią, w 1971 roku ukończył Wydział Reżyserii warszawskiej PWST.
Na dużym ekranie zadebiutował małą rólką w filmie nowelowym „Trzy opowieści” (1953). W roku 1958 wystąpił w filmach wojennych „Historia jednego myśliwca” - gdzie zagrał młodego pilota Staszka, „Orzeł” i „Wolne miasto”. Główną rolę Machulski zagrał w autorskim filmie Jana Laskowskiego i Tadeusza Konwickiego „Ostatni dzień lata” (1958). W filmie „Drugi człowiek” (1961) zagrał Karola – mężczyznę, których wychodzi z więzienia i próbuje zacząć nowe życie. W latach 60. i 70. grywał głównie role epizodyczne, spośród których wyróżnia się postać hrabiego Pena Flor w „Rękopisie znalezionym w Saragossie” (1964) Wojciecha Jerzego Hasa.
W filmie przygodowym „Wyspa złoczyńców” (1965) zagrał pracownika muzeum Tomasza - głównego bohatera kultowych powieści Zbigniewa Nienackiego o Panu Samochodziku. Jako Ludwik - młody naukowiec wydany na pastwę zaborczych kobiet - Machulski wystąpił w komedii „Sublokator” (1966) w reżyserii Janusza Majewskiego, zagrał też w „Lalce” (1968) Wojciecha Jerzego Hasa. Dzięki swej młodzieńczej urodzie był obiektem westchnień młodziutkiej Ludki w „Tabliczce marzenia” (1968), przystojnym kapitanem Staszkiem, który podbija serce nieprzejednanej dotąd porucznik Krystyny w „Rzeczpospolitej babskiej” (1969), oraz kochankiem Teresy – głównej bohaterki filmu „Z tamtej strony tęczy” (1972).
Druga połowa lat 70. to w karierze aktorskiej Jana Machulskiego głównie role w serialach telewizyjnych. W filmie szpiegowskim „Sekret Enigmy”(1979) oraz w telewizyjnej serii „Tajemnica Enigmy” (1979) aktor wystąpił w nietypowej dla siebie roli bohatera negatywnego – niemieckiego pułkownika Rudolfa. Machulski wystąpił także w popularnych serialach „Daleko od szosy” (1976) oraz „Polskie drogi” (1976).
Rola kasiarza Henryka Kwinto w komediach kryminalnych „Vabank” (1981) oraz „Vabank II czyli Riposta” (1984) w reżyserii Juliusza Machulskiego – syna aktora, jest jego najsłynniejszą filmową kreacją. Dzięki niej Jan Machulski zyskał emploi sympatycznego i szlachetnego oszusta o złotym sercu, które później wykorzystał m.in. w filmie „Vinci” (2004). Postać Kwinto została sparodiowana w innej komedii Juliusza Machulskiego „Kingsajz” (1987), w której pojawia się Kwintek grany oczywiście przez Jana Machulskiego. Od filmu „Vabank” Machulski Senior regularnie występuje w filmach swojego syna. W komedii kryminalnej „Deja Vu” (1989) pojawił się jako „Big Jim” Cimino – ojciec chrzestny włoskiej mafii w Chicago, w kostiumowym „Szwadronie” (1992) zagrał legendarnego powstańca Markowskiego.
W latach 90. Machulski grywał małe role, głównie wojskowych lub policjantów, w najgłośniejszych filmach dekady. W kultowych „Psach” (1992 i 1994) Władysława Pasikowskiego wystąpił jako major Walenda, w filmie „Polska śmierć” (1994) zagrał pułkownika, a w komediach „Kiler” (1997) i „Kiler-ów 2-óch” (1999) Juliusza Machulskiego pojawił się w roli nadinspektora. Pełną ciepła postać dziadka zagrał w filmie „Cudze szczęście” (1997) w reżyserii Mirosława Borka.
Od lat 90. Machulski często pojawia się na małym ekranie, grając w popularnych serialach m.in. w „Fitness Clubie” (1994-95), „Ekstradycji 2 i 3” (1996 i 1998), „Miasteczku” (2000-01) i „Rodzinie zastępczej” (2003). W serii „Matki, żony i kochanki” (1995 i 1998) zagrał Jana Padlewskiego, ojca jednej z głównych bohaterek – Doroty (Gabriela Kownacka). Ostatnio Machulski grywa w filmach młodych reżyserów. W roku 2000 zagrał Bossa w filmie „D.I.L.” Konrada Niewolskiego, a w komedii „1409. Afera na zamku Bartenstein” (2005) Rafała Buksa i Pawła Czarzastego Machulski zagrał główną rolę krzyżackiego komtura. Kolejną parodię postaci Kwinty – złodzieja Kwintowskiego aktor stworzył w komedii kryminalnej „Nie ma takiego numeru” (2005) w reżyserii Bartosza Brzeskota. Jan Machulski pojawił się też w polskim pastiszu „Amelii” – filmie „Emilia” (2005) autorstwa Piotra Matwiejczyka.
Jan Machulski jest aktywnym animatorem polskiego życia filmowego. Od 1974 roku jest wykładowcą na Wydziale Aktorskim łódzkiej PWSFTviT, kilkukrotnie był dziekanem tego wydziału. Był też pomysłodawcą łódzkiej Alei Gwiazd, na której w 1998 roku odsłonił gwiazdę ze swoim nazwiskiem. W roku 2003 na 11 Międzynarodowym Festiwalu Sztuki Autorów Zdjęć Filmowych Camerimage w Łodzi otrzymał Złotą Żabę dla najlepszego polskiego aktora. Dwa lata później Machulski został uhonorowany Offskarem - Polską Nagrodą Kina Niezależnego, przyznaną mu za całokształt twórczości i wspieranie kina offowego.
