2001年，他获得了《兄弟连》中的一个小角色。2003年，詹姆斯出演剧集《沙丘魔堡》中莱托·亚崔迪公爵。2004年，麦卡沃伊出演了爱情浪漫电影《温布尔登》中保罗·贝坦尼的弟弟卡尔一角 。而真正让英国观众记住这个年轻演员的分别是获得无数好评的BBC2003年迷你剧《State of Play》和关注工薪阶层生活的英版《无耻之徒》。2005年，当童话故事《纳尼亚传奇》被好莱坞搬上银幕时，詹姆斯·麦卡沃依也随之进入了观众的视线，他在片中扮演“半羊人”图姆纳斯 。同年，他通过观众票选，获得英国电影和电视艺术学院奖的最佳新人奖。2007年，他出演的《末代独裁》上映，他在片中饰演乌干达独裁者阿明的私人医生，影片大获好评，和他演对手的福斯特拿到了当年的奥斯卡影帝，而好莱坞也收货了一颗冉冉上升的新星詹姆斯 。2008年他主演的另一部影片《赎罪》获得金球奖最佳影片，他在片中扮演被冤枉的管家的儿子，他也凭借在这部影片中的表演获得金球奖最佳男主角提名 。2008年，他和安吉丽娜朱莉合作《通缉犯》，影片成本虽然只有6000万，但在全球收获票房3.5亿 。同年2月，第80届奥斯卡金像奖颁奖典礼在好莱坞柯达剧院举行，詹姆斯·麦卡沃伊继2007年后再次受邀担任颁奖嘉宾 。2011年，他出演超级英雄电影《X战警：第一战》，饰演青年时期的X教授，这个角色之前由英国演员帕特里克·斯图尔特扮演 。2013年，他主演三部《恍惚》《Welcom to the Punch》和《污垢》先后在英国院线上映 。他在《污垢》中的颠覆演绎使他成功击败众多对手，摘得英国独立电影最佳男演员奖。7月，他加盟《弗兰肯斯坦》，饰演一手打造“科学怪人”的变态科学家维克托·弗兰肯斯坦 。在2014年上映的《X战警：逆转未来》，他再度饰演青年时期的X教授，更与老教授帕特里克·斯图尔特同场彪戏 。