James McAvoy a été élevé par ses grands-parents, suite aux divorces de ses parents qui survint alors qu'il était âgé de sept ans. Il est éduqué dans la religion catholique, et il envisage un temps de devenir prêtre.
Il suit des études d'art dramatique à la prestigieuse Royal Scottish Academy of Music and Drama, dont il sort diplômé en 2000. Il tient cependant ses premiers rôles dès la fin des années 90, avec par exemple Regeneration, en 1997. Il se fait un nom en jouant dans la série produite par Steven Spielberg Band of brothers, à partir de 2001. En 2003, toujours pour le petit écran, il obtient son premier rôle principal dans la minisérie les enfants de Dune. Tout en continuant une carrière télévisuelle notable, il obtient des rôles de plus en plus importants au cinéma, comme par exemple dans La plus belle victoire, en 2004.
En 2005, il joue le faune du Monde de Narnia : chapitre 1 - le lion, la sorcière blanche et l'armoire magique. En 2006, il donne la réplique à Forest Whitaker dans le dernier roi d'Ecosse.
En 2006, il est récompensé d'un B.A.F.T.A., en tant que révélation masculine, et en 2007 c'est à Cannes qu'il se voit récompensé.
En 2007, il joue dans Jane et dans Reviens-moi, ce second lui apportant une nouvelle nomination aux B.A.F.T.A.
En 2008, il joue dans le blockbuster Wanted; choisi ton destin, aux côtés d'Angelina Jolie et de Morgan Freeman.
En 2009, il joue dans Tolstoï, le dernier automne, où apparaît aussi, Anne-Marie Duff, la femme de James McAvoy depuis 2006 (ils s'étaient rencontrés sur le tournage de la série Shameless). En 2010, il joue pour Robert Redford dans the Conspirator.
En 2011, il remplace Patrick Stewart (un acteur à qui il a donné la réplique dans Gnoméo et Juliette) dans le rôle du professeur Xavier dans le X-Men Le commencement de Matthew Vaughn.
 
La sœur de James McAvoy, Joy McAvoy, est actrice et chanteuse.