James Andrew McAvoy nasceu dia 21 de Abril, em Glasgow na Escócia. A sua mãe, Elizabeth Johnstone, é enfermeira psiquiatra e o pai, também James McAvoy, constructor. A sua irmã Joy faz parte da banda escocesa Streetside. Os pais de James divorciaram-se quando este tinha apenas 7 anos, altura em que se mudou para a casa dos avós maternos (Mary e James Johnstone), em Drumchapel. Frequentou o colégio St. Thomas Aquinas, considerado um colégio católico, e durante seis anos o Pace Youth Theatre, onde teve aulas com Mhari Gilbert. Graduou-se em 2000 no Royal Scottish Academy of Music and Drama (Real Academia Escocesa de Música e Representação). 

James McAvoy estreou-se no filme de David Hayman "The Near Room" de 1995, e de seguida, em 1997, em "Regeneração", de Pat Barkers. Ainda assim, o actor ganhou maior fama ao participar nas minisséries Band of Brothers e em Children of Dune (2003). No mesmo ano, participou ainda em State of Play, de Paul Abbott, e no ano seguinte na série televisiva Shameless, transmitida no Reino Unido no Channel 4, tendo esta série sido nomeada para o British Comedy Award (Prémio de Comédia Britânica). Em 2005, representou a personagem Ben na peça Breathing Corpses, no Royal Court Theatre, e no grande ecrã interpretou o fauno do filme da Disney "As Crónicas de Nárnia: o Leão, a Feiticeira e o Guarda-Roupa". Ainda em 2005, participou no filme "Wimbledon" e na peça "Macbeth". Em 2006, o actor escocês teve a oportunidade de contracenar com Forest Whitaker no filme "O Último Rei da Escócia", uma adaptação do romance homónimo de Giles Foden, baseado na história do poderoso ditador do Uganda Idi Amin, durante os anos 70, visto pelo seu (fictício) médico pessoal. Este filme valeu-lhe a nomeação para um prémio BAFTA de melhor actor coadjuvante e o prémio do European Film Awards de melhor actor. Para além de "O Último Rei da Escócia", o actor participou, no mesmo ano, em "Starter for Ten". Em 2007, apareceu em dois filmes aclamados pelos críticos, "A Juventude de Jane" e Expiação", sendo este último baseado no romance de Ian McEwan. James McAvoy foi nomeado para um Globo de Ouro pela sua participação neste filme. Mais tarde, o actor contracenou com Cristina Ricci e Reese Witherspoon em Penelope, um conto de fadas dos nossos dias, que estreou em 2008. O último filme que estreiou nos cinemas com James McAvoy foi "Procurado" onde ele contracena com Angelina Jolie e Morgan Freeman.

James McAvoy é casado desde 2006 com a actriz britânica Anne-Marie Duff, com quem contracenou na série Shameless. Actualmente vive em Stroud Green, Londres.