Minor leaguesRediger
Chamberlain blev valgt som nummer 41 af New York Yankees i 2006 i Major League Baseball; Yankees modtog dette valg som kompensation for Tom Gordon, som skrev under med Philadelphia Phillies. Chamberlain kastede ikke i de organiserede mindre klubber i 2006-sæsonen, men kastede i vinterligaen på Hawaii, hvor han opnåede en ERA på 2,63 for West Oahu CaneFires.
For sæsonen 2007 rangerede Baseball America Chamberlain som det fjerdebedste prospekt i den pitching-rige Yankee-organisation og det 75. bedste prospekt i Major League Baseball, og rangerede hans fastball som den bedste i Yankees farmsystem.
Han tilbragte den første del af sin 2007-sæson i Single-A Advanced Tampa Yankees i Florida State League. Han gik 4-0 med en ERA på 2,03 i 7 kampe og havde 51 strikeouts og 11 walks. Derefter blev han forfremmet til Double-A Trenton Thunder i Eastern League, hvor han blev 4-2 i 7 kampe med en ERA på 3,43 og 64 strikeouts. Han blev udpeget til det amerikanske hold i 2007 All-Star Futures Game den 8. juli på AT&T Park. Chamberlain kastede den tredje inning, slog én ud, gav én gang og tillod et hit og et fortjent løb. Den 24. juli 2007 blev Chamberlain forfremmet til Triple-A Scranton/Wilkes-Barre og startede for første gang dagen efter, hvor han slog 10 ud i 5 innings og fik sin første Triple-A-sejr. Mens Yankees stadig så ham som starter i fremtiden, meddelte holdet den 29. juli 2007, at Chamberlain ville blive flyttet til Scranton-Wilkes Barre-bullpen, og han havde sin første optræden den næste dag, hvor han slog ud i 1 inning og ramte 100 på radarpistolen tre gange. Den 1. august tog Joba tilbage til Trenton for at spille en afløsningsoptræden, hvor han slog 2 slagmænd ud i en 1-2-3 8. inning. Derefter kom han tilbage til Scranton, hvor han kastede 2 innings og slog 5 slagmænd ud.
New York YankeesRediger
2007-2009Rediger
Den 7. august 2007 købte Yankees Chamberlains kontrakt, hvilket løftede ham op i major leagues for første gang i hans karriere. I sin debut, en Yankees-sejr over Toronto Blue Jays, slog Chamberlain den første slagmand ud, som han stod overfor, og fortsatte med at kaste to scoreløse innings, hvor han slog to ud. Chamberlains brug i kampene blev i begyndelsen begrænset af det, der blev kaldt “Joba-reglerne”, som forhindrede ham i at kaste på flere dage i træk og gav ham en ekstra hviledag for hver inning, han kastede i en kamp. Den 30. august 2007 kastede Chamberlain under en kamp mod Boston Red Sox to kast hen over hovedet på Kevin Youkilis. Chamberlain blev efterfølgende udvist for første gang i sin Major League-karriere. Dagen efter blev Chamberlain idømt en udelukkelse i to kampe og en bøde på 1.000 dollars.
I kamp 2 i ALDS 2007 mod Cleveland Indians kastede Chamberlain i slutningen af ottende kamp, hvor Yankees førte 1-0. Pludselig sværmede et væld af små mider over banen. Han blev gentagne gange sprøjtet ned med insektmiddel, som tilsyneladende ikke havde nogen afskrækkende virkning på miderne. Chamberlain kastede 2 wild pitches, hvilket gav ham det udlignende point. Indianerne vandt kampen 2-1. Yankees ville derefter tabe divisionsserien mod Indians i 4 kampe i serien bedst af fem.
Den 20. marts 2008 meddelte Yankees, at Chamberlain ville starte sæsonen i bullpen. Manager Joe Girardi udtalte, at Chamberlain ville blive brugt “uden begrænsninger”, men at holdets brug af Chamberlain ville være styret af sund fornuft.
Chamberlain fik orlov den 13. april 2008, da han fik besked om, at hans far, Harlan, lå på hospitalet efter at være kollapset i sit hjem i Lincoln, Nebraska. På tidspunktet for hans orlov havde Joba en rekord på 1-0, med en ERA på 0,00, seks strikeouts og 3 holds i 4 kampe og 51⁄3 innings kastet, Chamberlain vendte tilbage fra orloven i tide til den 2. kamp mod Baltimore Orioles den 19. april 2008. Den 20. april meddelte Hank Steinbrenner, at han ønskede Chamberlain flyttet ind i rotationen.
I maj meddelte Girardi, at Chamberlain blev flyttet ind i startrotationen. Den 3. juni startede Chamberlain for første gang i MLB mod Roy Halladay og Toronto Blue Jays og varede kun 21⁄3 innings, mens han tillod 2 runs, et hit og 4 walks. Den 25. juni vandt Chamberlain sin første sejr i karrieren som starter, da han kastede 62⁄3 pointløse innings mod Pittsburgh Pirates på vej mod en 10-0 sejr til Yankees.
Den 25. juli kastede Chamberlain 7 shutout innings mod Red Sox, hvor han udmanøvrerede Red Sox-esset Josh Beckett, idet han kun tillod 3 hits og slog 9 ud. Yankees vandt kampen 1-0.
Den 4. august skadede Chamberlain sin skulder i en kamp mod Texas Rangers og blev sat på 15-dages invalidelisten med rotator cuff seneskedehindebetændelse. Yankees General Manager Brian Cashman erkendte senere, at denne skade havde en varig effekt.
Chamberlain sluttede sæsonen med en 3-1-rekord og otte no-decisions.
2009-2013Rediger
Chamberlain fik kendskab til sin rolle i Yankees rotation i november, og udtalte, at det at vide om holdets planer om at bruge ham som starter i stedet for som en reliever, der på et tidspunkt midt i sæsonen ville rykke ind i en starterrolle (som det var tilfældet i 2008), ændrer hans mentale tilgang til forberedelserne til sæsonen og gør tingene lettere for ham. I All-Star-pausen tog Chamberlain hjem til Lincoln, Nebraska, for at få tankerne væk ved at lege med sin søn, så han kunne “være sig selv” og få mere selvtillid på banen. Chamberlain fortsatte med at have det svært i anden halvdel af sæsonen. Yankees overvejede at degradere ham til de mindre ligaer og lade ham stå uden for eftersæsonen, men Yankees beholdt Chamberlain på holdet i en opstillingsrolle, da Yankees gik med en tre-mands startrotation på vej til at vinde World Series 2009.
Hvor Yankees-manager Joe Girardi før forårstræningen erklærede, at der ville være konkurrence om den femte plads i Yankees’ startrotation. Favoritterne var især Chamberlain og Phil Hughes. Mod slutningen af forårstræningen blev Hughes erklæret som vinder, hvilket sendte Chamberlain tilbage til bullpen. Fra starten af sæsonen og frem til juli kæmpede Chamberlain med en ERA på over 5. Hans præstationer forbedredes i august og september; i Chamberlains sidste 28 optrædener i den regulære sæson 2010 var hans ERA 2,38.
Yankees udelukkede at bruge Chamberlain som startende pitcher i 2011 med det argument, at hans kast har større hastighed, når han pitcher i afløsning. I begyndelsen af sæsonen blev han flyttet til rollen som syvende inning for at give plads til Rafael Soriano. Han ville senere blive set-up mand for Mariano Rivera kortvarigt, efter at Soriano kom på invalidelisten. Chamberlain blev sat på 15 dages invaliditetsliste den 8. juni på grund af en albueskade. Han fik foretaget en Tommy John-operation den 16. juni for at reparere et overrevet ledbånd i højre albue og blev slået ud for resten af sæsonen.
I januar 2012 blev Yankees og Chamberlain enige om en etårig, ikke-garanteret kontrakt til en værdi af ca. 1,675 millioner dollars. Den 22. marts 2012 skadede Chamberlain sit højre ben, da han hoppede på en trampolin i et springcenter i Tampa; han fik en åben dislokation af sin ankel. De første rapporter viste, at han havde mistet så meget blod, at tilskuerne på stedet frygtede, at han kunne forbløde ihjel. Chamberlain har dog senere under en pressekonference afkræftet disse beskyldninger og erklæret, at han aldrig havde fået nogen livstruende skade eller mistet meget blod. Chamberlain begyndte 2012-sæsonen på 60-dages invalidelisten på grund af ankelskaden, og han var ved at komme sig efter den Tommy John-operation, som han tidligere havde fået. Han vendte tilbage den 1. august 2012 mod Baltimore Orioles.
I toppen af 12. inning i Game 4 i 2012 American League Division Series blev Chamberlain ramt på albuen af et knækket bat af Matt Wieters fra Orioles og forlod kampen. På trods af hans skade vandt Yankees serien over Baltimore i fem kampe, men blev fejet i 2012 American League Championship Series af Detroit Tigers.
Den 2. maj 2013 blev Chamberlain sat på 15-dages invalidelisten med en forstrækning i højre skråstykke. Han blev aktiveret fra DL den 28. maj 2013.
Den 5. september 2013 blev Chamberlain for anden gang i sin major league-karriere udvist for anden gang i sin major league-karriere i et 9-8 nederlag til Yankees mod Red Sox. Med Jacoby Ellsbury på anden base efter en stjålet base og Shane Victorino på pladen med en ud i 10. inning forsøgte Victorino at kontrollere sit sving på et 1-2 kast, og første base dommer Joe West sagde, at Victorino ikke svingede, Victorino singlede derefter i det afgørende løb på det næste kast, Chamberlain blev derefter udvist af West for at argumentere for check-svinget efter at være blevet taget ud af kampen.
Detroit TigersRediger
2014-2015Rediger
Den 13. december 2013 underskrev Tigers Chamberlain med en etårig kontrakt på 2,5 millioner dollars plus incitamenter. Chamberlain begyndte året som Tigers’ set-up man. Chamberlain opnåede en redning den 22. april 2014 i en 8-6 sejr over Chicago White Sox, hvilket kun var den 6. i hans karriere. Chamberlain fik redningsmuligheden, efter at Phil Coke fik en 8-3 føring og overgav tre runs, mens closer Joe Nathan fik hvile på grund af de seneste kampe. Chamberlain sluttede 2014-sæsonen med en 2-5-rekord og en ERA på 3,57, hvor han tillod 57 hits i 63 innings med 24 walks og 59 strikeouts.
Den 24. februar 2015 genforhandlede Tigers Chamberlain med en etårig kontrakt på 1 million dollars plus incitamenter. Han havde en ERA på 1,26 indtil maj, men hans ERA steg til 4,09 i sine næste ti optrædener. Han tillod ni runs, otte fortjent, på 14 hits over 72⁄3 innings siden 1. juni. Han blev udpeget til opgave af Tigers den 3. juli. Den 10. juli 2015 fik Chamberlain sin ubetingede løsladelse.
Toronto Blue JaysRediger
Den 21. juli 2015 underskrev Chamberlain en minor league-kontrakt med Toronto Blue Jays. Han blev tildelt Buffalo Bisons fra den internationale liga. Chamberlain udnyttede et opt-out i sin kontrakt den 14. august og blev free agent.
Kansas City RoyalsRediger
Den 16. august 2015 underskrev Chamberlain en minor league-kontrakt med Kansas City Royals. Efter at have kastet i otte kampe for Omaha Storm Chasers i Class AAA Pacific Coast League, forfremmede Royals Chamberlain til major leagues den 7. september. I 6 optrædener for Royals har Chamberlain en ERA på 7,94. Samlet set var Chamberlains ERA 4,88 i 36 kampe i alt sammenlagt med både Tigers og Royals i 2015. Han blev udpeget til assignment den 27. oktober 2015, samme dag som Royals spillede den første kamp i World Series 2015. Royals ville i sidste ende slå New York Mets i 5 kampe i finalen i eftersæsonen, hvilket gav dem deres første mesterskab i 30 år. På trods af at han kun spillede i få kampe for Royals i den regulære sæson det år, modtog han sin anden World Series-ring.
Cleveland IndiansRediger
Den 1. december 2015 underskrev Chamberlain en minor league-aftale med Cleveland Indians. Indians købte hans kontrakt den 4. april 2016 og tilføjede ham til startopstillingen på åbningsdagen. Han blev udpeget til opgave den 4. juli og frigivet den 10. juli 2016 efter at have afvist en outright assignment.
Milwaukee BrewersRediger
Den 20. januar 2017 underskrev Chamberlain en minor league-kontrakt med Milwaukee Brewers med en invitation til forårstræning. Den 22. marts blev Chamberlain frigivet. Han annoncerede sin pensionering den 4. oktober 2017.