James ha studiato presso la Palo Alto High School, dove si è diplomato nel 1996, poi ha frequentato l'Università dell'UCLA per conseguire la specializzazione in lingua inglese. Per sconfiggere la sua innata timidezza, parallelamente allo studio recita in teatro, esibendosi sui palcoscenici locali. Preso dalla passione per la recitazione, frequenta per quindici mesi un corso di teatro presso la prestigiosa scuola di recitazione 'Robert Carneigie's Playhouse West. Ottiene subito un ruolo nella serie TV 'Freaks and Geeks' e nella miniserie 'To Serve and Protect', ma non ottiene il successo sperato, nonostante interpreti anche un piccolo ruolo nel film commedia di Raja Gosnell "Mai stata baciata", a fianco di Drew Barrymore e Michael Vartan.
Nel 2000 ottiene il suo primo successo con la commedia rosa "Costi quel che costi" con cui si impone all'attenzione della critica, ottenendo il favore delle giovani fans e diventando icona del nuovo sex symbol del cinema contemporaneo.
Nel 2001 ottiene il ruolo di protagonista nel film TV "James dean", biografia del leggendario attore scomparso prematuramente e tragicamente a bordo della sua spider Porshe. Con questo film ottiene grossi riconoscimenti di pubblico e vince il Golden Globe 2001 come miglior attore di film per la televisione.
Forte del successo ottenuto, si sottopone ad un provino per il ruolo di Peter Parker nel kolossal di Sam Raimi "Spiderman", ma il ruolo dell'uomo ragno viene assegnato a Tobey Maguire, mentre a James va quello di Harry Osborne, il miglior amico di Spiderman.
Il 2002 è un anno molto intenso per la sua carriera, con diversi titoli al suo attivo, tra i quali ricordiamo: "Deuces Wild" accanto a Stephen Dorff, e "Sonny"; per la regia di Nicolas Cage.
Nel 2003 ottiene il primo ruolo di forte spessore nel drammatico "Colpevole d'omicidio", di Michael Caton-Jones, dove si confronta, con il grande Robert De Niro, nel ruolo del figlio abbandonato in tenera età. Successivamente è Robert Altman a volerlo tra gli interpreti del musical "The Company", prima di girare il sequel dell'uomo ragno, "Spider man 2", sempre di Sam Raimi.
Il 2006 lo vede impegnato nei film "Tristano & Isotta" di Kevin Reynolds, accanto a Neve Campbell, "Paint" (2006) di Robert Altman, "Annapolis" (2006), "The Great Raid - Un pugno di eroi" (2006) e "Spider-Man 3" di Sam Raimi.
Inoltre è uno dei protagonisti del fim di Tony Bell "Flyboys" (2007) e del film di Paul Haggis "In the Valley of Elah" (2007).
E' nel cast di "Milk" (2008) di Gus Van Sant e della commedia noir "Strafumati" (2008).
Nel 2009 lavora alla commedia "Date Night - Notte folle a Manhattan" (2010) accanto a Leighton Meester e Mark Wahlberg.