Джеймс родился 18 сентября 1973 года в городе Стиллуотер, штат Оклахома. Мать мальчика, Кэтлин Шольц, работала профессиональным врачом-диетологом, а отец, доктор Джеймс Лютер Марсден, был профессором в Университете штата Канзас, занимался вопросами в сфере промышленного животноводства. От предков Марсден унаследовал английские, шотландские, немецкие и французские корни. Когда Джеймсу исполнилось девять, родители развелись. Помимо него в семье были еще дети: две младшие сестры, Элизабет и Дженнифер, а также два брата, Роберт и Джефф. В детстве Джеймс посещал средние школы Hefner Middle School и Putnam City North High School. Позднее он поступил в Университет штата Оклахома на факультет радиожурналистики. После полутора лет обучения, Марсден оставил университет и родной штат. Его новой целью стала актерская карьера. Она и послужила поводом для переезда в Лос-Анджелес.
Свою первую работу начинающий актер получил в нескольких эпизодах комедийного семейного телесериала Марка Питера Якобсона и Фрэн Дрэшер «Няня», где сыграл роль Эдди, приятеля Маргарет Шеффилд, героини Николь Том. Затем он снялся в канадском телесериале 1994 года «Boogie's Diner». После этого Джеймс появился в семейном спортивном телесериале «Спасенные звонком: Новый класс» и драме «Нас пятеро». Марсден участвовал в кастинге на роль обвиняемого Аарона Стэмплера в триллере Грегори Хоблита «Первобытный страх», но режиссер отдал предпочтение Эдварду Нортону. Одновременно актер отказался от роли в драме Марка Кристофера «Студия 54». Впоследствии образ Шейна О’Шеа воплотил на экране Райан Филлиппи. В 1998 году Джеймс исполнил главную роль в фантастическом фильме ужасов Дэвида Наттера «Непристойное поведение», где его партнершей стала Кэти Холмс. Спустя два года Марсден работал на одной площадке с Кейт Хадсон в драматическом триллере Дэвиса Гугенхайма «Сплетня». Вскоре актер принял участие в съемках комедийно-драматического телесериала Дэвида Э. Келли «Элли Макбил», где ему представилась возможность продемонстрировать свои вокальные способности.
В 2000 году началась работа над фантастической приключенческой трилогией Брайана Сингера «Люди Икс». Фильм стал экранизацией серии одноименных комиксов компании Marvel Comics. Джеймс был приглашен на роль одного из центральных персонажей – Циклопа. Этот персонаж обладал уникальной способностью выпускать из глаз лазерные лучи. Именно по этой причине герой Марсдена большую часть экранного времени носил специальные очки. Эта роль принесла Джеймсу награду Blockbuster Award в номинации «Лучшая роль второго плана». В 2006 году режиссер Брайан Сингер принял решение продолжить сотрудничество с актером. Джеймс получил приглашение на роль племянника редактора газеты, Ричарда Уайта, в фантастическом приключенческом кинокомиксе «Возвращение Супермена». В 2007 году Джеймс появился в образе Корни Коллинза в мюзикле Адама Шенкмана «Лак для волос». В 2010 году он блестяще исполнил роль Оскара в комедии Нила ЛаБьюта «Смерть на похоронах», а в 2013 году Марсден появился в образе президента Джона Кеннеди в драме Ли Дэниелса «Дворецкий».
