James Thierrée est le petit-fils de Charlie Chaplin, et baigne dans le monde du cirque dès l’âge de quatre ans en compagnie de ses parents : Victoria Chaplin et Jean-Baptiste Thierrée, créateurs du Cirque Bonjour. Il participait aux spectacles Le Cirque imaginaire puis Le Cirque invisible en y présentant entre autres des numéros d'acrobaties au sol, de trapèze, de bicyclette acrobatique. Il y apprend aussi la danse et le violon, et s'initie à la magie et au mime. Il suit ensuite une formation de comédien au Piccolo Teatro de Milan, à la Harvard Theatre School, au Conservatoire national supérieur d'art dramatique et chez Robert Cordier.
En 1998, il fonde sa propre compagnie, La Compagnie du hanneton. Il joue et met en scène son premier spectacle La Symphonie du hanneton mêlant théâtre, voltige, jonglage, acrobatie, contorsion, danse, chant lyrique, musique, dans un spectacle qui ne cesse depuis de faire le tour du monde. Ce spectacle reçoit le prix Adami en 2005 et récolte quatre Molières en 2006 (spectacle de théâtre public, metteur en scène et révélation théâtrale pour lui, costumes pour sa mère Victoria Chaplin Thierrée). En 2003, il crée son deuxième spectacle, La Veillée des abysses.
Outre ses spectacles, il a travaillé au théâtre et au cinéma, entre autres sous la direction de Peter Greenaway, Bob Wilson, Coline Serreau, Raul Ruiz ou Benno Besson. Il tient notamment le rôle de Taloche dans le film de Tony Gatlif, Liberté (2010). En 2007, il est nommé au César du meilleur espoir masculin pour le film Désaccord parfait, et revient avec un nouveau spectacle, Au revoir parapluie, pour lequel il remporte le Molière du théâtre en région.
En 2013, il participe à la scénographie de la tournée de Matthieu Chedid. Début 2016 il est tête d'affiche avec Omar Sy dans le film Chocolat.