2001年，詹姆斯·麦卡沃伊出演了战争电视剧《兄弟连》中的一个小角色  。之后，在2002年9月播出的电视剧《白牙》以及10月播出的电视剧《战地神探》中出演了配角。2003年，詹姆斯出演剧集《沙丘魔堡》，他饰演的莱托·亚崔迪公爵在全剧第二部分中登场  。

2004年，詹姆斯出演了爱情浪漫电影《情定温布尔登》中保罗·贝坦尼的弟弟卡尔一角  。2004年，他分别出演了两部由BBC制作的悬疑题材电视剧《政局密云》和关注工薪阶层生活的《无耻之徒》，凭借在《无耻之徒》一剧中的表现，詹姆斯·麦卡沃伊提名了英国喜剧奖最佳电视喜剧新人奖，以及英国电影和电视艺术学院奖的新人奖  。同一年，他还凭借在电影《生命的舞动》中的表现提名了第25届伦敦影评人协会奖最佳男演员奖。

2005年，在奇幻电影《纳尼亚传奇：狮子、女巫和魔衣柜》一片中，詹姆斯·麦卡沃依饰演了“半羊人”图姆纳斯  ，凭借此电影中的表现他“第26届伦敦影评人协会奖”英国年度最佳男配角和2005年度《帝国》电影奖最佳新人奖的提名。11月7日，詹姆斯参演的4集电视剧《莎士比亚重现》在英国播出  。

2007年2月28日，詹姆斯出演的历史片《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  ，在该片中的表现，使得他获得了“第60届戛纳电影节”的“肖邦奖·最佳新人男演员”  。3月9日上映的爱情电影《成为简·奥斯汀》中，詹姆斯饰演了汤姆·勒弗罗伊一角  。9月7日，詹姆斯在英国上映的悬疑爱情影片《赎罪》中饰演了罗比·特纳，凭借此获得了“第28届伦敦影评人协会奖”最佳英国男主角  、2007年度“《帝国》电影奖”最佳男主角  ，并提名了“第65届金球奖”剧情类电影最佳男主角  、“第21届欧洲电影奖”最佳男演员等奖项  。11月10日，他主演的爱情电影《恋爱学分》上映  。

2008年2月29日，詹姆斯·麦卡沃伊参演的喜剧电影《真爱之吻》在美国上映，片中他饰演了为了钱而冒充没落贵族的强尼  。6月，由他与安吉丽娜·朱莉合作主演的电影《通缉令》上映，片中饰演经历变故无奈加入杀手组织，开始复仇之路的韦斯利  。

2009年，詹姆斯在描述晚年托尔斯泰生活的传记电影《最后一站》中，饰演了列夫·托尔斯泰的助理沃伦蒂，也因此提名了“第14届金卫星奖”最佳男配角奖  ，该片2010年1月28日上映。

2011年2月11日上映的动画电影《吉诺密欧与朱丽叶》中，詹姆斯·麦卡沃伊为吉诺密欧配音  ；4月由他参演的剧情电影《共犯》（又名：女同谋）上映  ；6月詹姆斯在科幻电影《X战警：第一战》中首次饰演青年X教授  ，此前该角色由英国演员帕特里克·斯图尔特饰演；11月11日，由他配音出演的影片《亚瑟·圣诞》在英国上映  。

2013年3月15日，詹姆斯·麦卡沃伊主演动作电影《双雄》在英国上映，片中他饰演了勇猛果敢的警察麦克斯·莱温斯基  ；3月27日，他主演的悬疑影片《恍惚》上映  ；9月27日上映的影片《污垢》中，詹姆斯·麦卡沃伊饰演了一名贪污受贿、吸毒成瘾，亦正亦邪的苏格兰警察  ，凭借该片詹姆斯获得了“第16届英国独立电影奖”最佳男主角  、“第34届伦敦影评人协会奖”年度英国男演员  以及2013年度“《帝国》电影奖”最佳男主角  。

2014年5月23日电影《X战警：逆转未来》上映，片中詹姆斯·麦卡沃伊再次饰演了青年时期的X教授  ；9月26日由他与杰西卡·查斯坦共同主演的爱情电影《他和她的孤独情事》上映，此前该片分为男女不同角度的《他和她的孤独情事：他》和《他和她的孤独情事：她》。

2015年，詹姆斯·麦卡沃伊在改编自玛丽·雪莱科幻小说的电影《维克多·弗兰肯斯坦》中饰演了“科学怪人”——维克多·弗兰肯斯坦  。2016年5月27日上映的影片《X战警：天启》中，詹姆斯·麦卡沃伊第三次饰演了青年时期的X教授  。

2017年1月20日，由詹姆斯主演的惊悚影片《分裂》在美国上映，片中他饰演了24种多重人格精神分裂患者凯文  ，并凭借在该片中的表现获得2017年度圣地亚哥影评人协会奖最佳男主角  。7月28日，詹姆斯搭档查理兹·塞隆主演的动作电影《极寒之城》上映  。

2018年3月23日，由詹姆斯配音出演的动画电影《吉诺密欧与朱丽叶2：夏洛克·糯尔摩斯》上映  。詹姆斯在4月13日上映的惊悚电影《淹没》中饰演液压工程师詹姆斯·莫尔  。

2019年1月18日，参演由M·奈特·沙马兰执导的电影《玻璃先生》在北美上映  ；6月7日，参演的电影《X战警：黑凤凰》在美国上映  ；9月6日，参演的电影《小丑回魂2》在美国上映，片中饰演成年比尔  。