Theo James comenzó su carrera en la Bristol Old Vic Theatre School de Inglaterra y, desde entonces, ha destacado dando vida a una variedad de papeles tanto en cine como en televisión.

Recientemente ha protagonizado The Monkey. La película de terror basada en la novela homónima de Stephen King. James interpreta un doble papel, encarnando a dos hermanos que deben reunirse para destruir el misterioso juguete que pertenecía a su padre antes de que este acabe con la vida de todos sus seres queridos.

Próximamente, coprotagonizará junto a Vince Vaughn la película The Bookie and the Bruiser, dirigida por S. Craig Zahler. Ha concluido también el rodaje de The Hole, dirigida por Kim Jee-woon. La historia sigue la vida de un profesor postrado en cama en Corea del Sur, cuyo camino hacia la recuperación se ve amenazado cuando su suegra empieza a descubrir la verdad sobre su matrimonio.

Anteriormente, ha protagonizado la adaptación televisiva The Gentlemen: La serie, inspirada en la comedia de acción de Guy Ritchie. Va a estrenar próximamente la segunda temporada.

Ha coprotagonizado la segunda temporada de The White Lotus, la serie de siete episodios de HBO y sátira ganadora del Emmy creada por el guionista, director y productor ejecutivo Mike White. La segunda temporada ganó el premio del Sindicato de Actores (SAG) en la categoría de Mejor reparto en una serie dramática. Por su parte, él ha recibido una nominación al Emmy en 2023 en la categoría de Mejor actor de reparto en una serie dramática.

Además, él y su socio de producción, Andrew Corkin, han coproducido la docuserie de Netflix Pepsi, ¿dónde está mi avión? Una historia generacional que narra la batalla de un adolescente contra la marca de refrescos por un sorteo que prometía la oportunidad de ganar un avión valorado en 23 millones de dólares. El conflicto derivó en un escándalo mediático que ha pasado a formar parte del legado de la marca. La serie fue aclamada por la crítica y nominada a los premios Film Independent Spirit de 2023 en la categoría de Mejor nueva serie documental o de no ficción.

Anteriormente, ha protagonizado la miniserie de seis episodios La mujer del viajero en el tiempo en HBO Max, en la que interpreta a un viajero en el tiempo. También es protagonista de la serie de época de ocho episodios Sanditon. Y ha puesto su voz en el Cristal Oscuro: La era de la resistencia.

En la gran pantalla, James ha interpretado al «capitán Henry Ossory» en La lista de Mr.Malcom. Ha protagonizado la película de ciencia ficción Archive, en la que también era productor con su propia productora, Untapped.

Ha interpretado el papel de «Stone» en City of Angels en el Garrick Theatre de Londres. El musical rinde homenaje al cine negro y entrelaza dos tramas: un escritor de novelas policíacas que intenta adaptar su obra al cine y la película ficticia sobre la que está escribiendo. En 2017, encarnó a «Ethan» en la producción de Sex with Strangers, junto a Emilia Fox. La obra sigue la historia de una mujer y un hombre que pronto descubren que los polos opuestos se pueden atraer.

En 2019, protagonizó Estafadores (Lying and Stealing) de Vertical Entertainment y DirecTV. En 2018, puso voz al personaje de «Hector» en la segunda temporada de Castlevania, de Netflix. Ese mismo año, interpretó al protagonista del thriller de acción El final de todo. Y protagonizó Zoe, una película romántica de ciencia ficción dirigida por Scott Free.

En 2018, tuvo el papel protagonista de «Michael» en el drama político de A24 Doble traición, junto a Ben Kingsley. La película sigue a un joven coordinador de programas de las Naciones Unidas que descubre una conspiración relacionada con las reservas de petróleo de Irak.

En 2017, protagonizó junto a Vanessa Redgrave y Rooney Mara la película de Jim Sheridan La carta secreta. Anteriormente, interpretó al gánster «Lord James Mangan» en la comedia británica Contra todos.

Tuvo sus inicios en la carrera cinematográfica interpretando al protagonista masculino en Inframundo: El Despertar, junto a Kate Beckinsale. Es la cuarta entrega de la exitosa franquicia de Lakeshore y Sony. James retomó su papel en la quinta película, Inframundo: Guerras de sangre.

Saltó a la fama con el personaje de Tobias «Four» en las adaptaciones cinematográficas de la saga Divergente, junto a Shailene Woodley y Kate Winslet.
Entre sus créditos cinematográficos está la exitosa comedia británica Supercutres; la película independiente El benefactor, de Andrew Renzi junto a Richard Gere y Dakota Fanning; y Conocerás al hombre de tus sueños, de Woody Allen.

En televisión, protagonizó la serie Golden Boy de la CBS, junto a Chi McBride. También interpretó el papel del diplomático turco «Kemal Pamuk» en la primera temporada de la serie Downton Abbey. Y apareció en la serie británica Bedlam, «Aidan Harper» en Caso reservado: La mitad de dos vidas y «Jack Wales» en Room at the Top.

Vive actualmente en Londres.