James McAvoy est né le 21 avril 1979 à Glasgow en Écosse, d'Elizabeth (née Johnstone), une infirmière psychiatre et James McAvoy Sr, ouvrier en bâtiment. Ses parents divorcent, alors qu'il n'est âgé que de sept ans. En mauvaise santé, la mère de James McAvoy décide que ce dernier ainsi que sa sœur Joy, iraient vivre avec leurs grands-parents maternels, Mary et James Johnstone, à Drumchapel près de Glasgow dans une maison communale.

Il fréquente le lycée de Saint Thomas à Jordanhill, une école catholique. Il travaille dans une boulangerie durant sa jeunesse pour pouvoir suivre des cours dans une école de théâtre.

Il fait ses débuts d'acteur à l'âge de seize ans et effectue principalement des apparitions télévisées jusqu'en 2003, notamment dans la série dramatique Jeux de pouvoir et la série de science-fiction Les Enfants de Dune.

McAvoy a joué dans plusieurs pièces de théâtre du West End, recevant trois nominations pour le Laurence Olivier Award du Meilleur acteur.

En 2003, il obtient le rôle principal dans Bollywood Queen, une adaptation de la pièce Roméo et Juliette. Son interprétation du faune Tumnus dans le premier épisode du Monde de Narnia en 2005 contribue à le faire connaître en dehors des frontières de la Grande-Bretagne. En 2006, sa performance dans le drame de Kevin Macdonald, Le Dernier Roi d'Écosse, lui vaut plusieurs nominations. Il enchaîne parallèlement les romances : Penelope et Starter for 10 en 2006), puis Jane et Reviens-moi en 2007, qui lui vaut une nomination au Golden Globes et sa deuxième nomination aux BAFTA.

Au début des années 2010, il s'impose à Hollywood : Wanted : Choisis ton destinest un succès commercial, puis il est choisi pour incarner le jeune Charles Xavier dans le blockbuster préquel X-Men : Le Commencement. Il reprend son personnage pour trois autres longs-métrages de la franchise X-Men.

Parallèlement, il donne la réplique à Rosario Dawson pour Trance et Jessica Chastain pour The Disappearance of Eleanor Rigby. Puis tente de s'imposer comme tête d'affiche avec Ordure ! , qui lui vaut le prix du meilleur acteur aux British Independent Film Awards et Split , pour lequel il obtient des louanges quasi-unanimes de la critique.

Alors qu'il incarne pour la dernière fois Charles Xavier dans X-Men: Dark Phoenix et Kevin Wendell dans Glass, il rejoint deux autres franchises : Atomic Blonde, porté par Charlize Theron et Ça : Chapitre 2, qui lui permet de retrouver Jessica Chastain.

McAvoy a effectué un BASE jump en sautant du toit du Guy's Hospital afin de recueillir des fonds pour l’organisation ougandaise Retrak, venant en aide aux enfants des rues livrés à eux-mêmes. McAvoy est ambassadeur de la Croix-Rouge britannique avec qui il a voyagé en Ouganda pour faire connaître leurs projets. Il s'est impliqué pour ce pays après y avoir tourné Le Dernier Roi d'Écosse pendant plusieurs mois. En février 2007, il visite le nord du pays et passe quatre jours à accompagner les projets soutenus par la Croix-Rouge.

En 2015, James McAvoy fait également don de 125 000 livres sterling à son ancienne école de théâtre, l'Académie royale de musique et d'art dramatique, afin de financer un programme de bourses.

Il se considère comme une personne spirituelle ne pratiquant plus le catholicisme. Dans une interview de 2006, James McAvoy a admis que le fait qu'il souhaitait devenir prêtre durant son enfance était une excuse pour pouvoir voyager.

Il garde son affiliation politique privée. Au cours du référendum sur l'indépendance de l'Écosse en 2014, James McAvoy a refusé de se prononcer publiquement sur son choix d'être indépendantiste ou « pro-Union ». Durant le déroulement du référendum, il a évité de s'emparer du débat, estimant que ce serait « contre-productif » pour sa carrière.

En s'exprimant sur Sky News, James McAvoy a déclaré qu'il trouvait que les cinéastes britanniques dépréciaient et ridiculisaient leurs productions pour attirer le public américain. « C'est comme si nous rendions nos films plus condescendants en nous montrant différents de ce que nous sommes vraiment », a commenté l'acteur. D'autre part, il considère que les films en 3D symbolisent le « gaspillage d'argent », accusant les studios de cinéma d'utiliser cet effet uniquement pour obtenir davantage d'argent du public.

Durant son enfance, James McAvoy a vécu par intermittence avec sa mère, sans pouvoir rester en contact avec son père. Selon ce dernier, James McAvoy évita tout contact avec lui après que sa sœur aînée déménagea avec son nouvel ami. Néanmoins, l'acteur considère avoir eu une bonne éducation de sa part.

L'acteur apprécie les thèmes liés à la fantasy depuis ses onze ans, âge auquel il a lu Le Seigneur des anneaux.