James Paul Marsden est né le 18 septembre 1973 à Stillwater, dans l'Oklahoma, aux États-Unis. Son père est un chercheur en biologie à l'Université du Kansas et sa mère est une nutritionniste. Il a deux sœurs, Jennifer et Elizabeth, et deux frères, Jeff et Robert. Ses parents divorcent lorsqu'il a 9 ans. Il a des origines anglaises, allemandes et écossaises.

Au cours de son adolescence, il fréquente l'école secondaire Putnam City North. Après avoir obtenu son diplôme en 1991, il fréquente l'université d’État d'Oklahoma, il y étudie le journalisme et devient membre de la fraternité Delta Tau Delta.

En vacances avec sa famille à Hawaï, il rencontre l'acteur Kirk Cameron et sa sœur, Candace Cameron Bure. Il est invité à les rejoindre à Los Angeles et y développe son intérêt pour le milieu du divertissement.

Il commence sa carrière dans les années 1990, en décrochant des seconds rôles à la télévision et au cinéma.

Il accède à une notoriété publique importante au début des années 2000, grâce à son rôle du mutant Scott Summers / Cyclope dans la saga cinématographique X-Men  et sa participation dans la série télévisée Ally McBeal. Il enchaîne en tenant des rôles principaux, notamment dans la production Disney Il était une fois, la comédie romantique 27 robes , la comédie musicale acclamée par la critique Hairspray et le thriller horrifique The Box.

Dans les années 2010, il confirme dans le registre comique avec Panique aux funérailles, la comédie d'animation Hop, Bachelorette, Robot and Frank, Blackout total et séduit la critique avec son rôle de guest dans la série comique 30 Rock . L'acteur joue aussi des rôles secondaires, le drame salué Le Majordome, le film d'action 2 Guns, le thriller Vertiges, la comédie Légendes vivantes .

Mais cette décennie est surtout marquée par un retour télévisuel au premier plan : d'abord en étant l'une des têtes d'affiche de la série de science fiction plébiscitée et multi récompensée Westworld, puis avec la première saison de la comédie noire de Netflix, Dead to Me, la mini-série chorale Mrs. America et la série fantastique Le Fléau .

James Marsden a épousé l'actrice Lisa Linde, fille du compositeur de musique country Dennis Linde, le 22 juillet 2000. Marsden et Linde ont deux enfants, Jack Holden né en 2001 et Mary James née en 2005. Lisa Linde a demandé le divorce le 23 septembre 2011.

James Marsden a également eu un autre fils, William Luca Costa-Marsden, né le 14 décembre 2012 avec le mannequin Rose Costa. Quelques jours plus tard, ils se séparent.