Norton apareció como compañero de Jenn en la película An Education, protagonizada por Carey Mulligan, en 2009. En 2010, fue miembro del reparto original de Posh en el Royal Court Theatre. En el Crucible Theatre de Sheffield en 2010, Norton protagonizó That Face en el papel de Henry, un joven de 18 años que ha abandonado los estudios para cuidar de su madre con problemas mentales y drogodependiente, interpretada por Frances Barber. Lynne Walker, de The Independent, escribió sobre su actuación: «En el centro de todo está Henry que, en la impactante interpretación de James Norton, es como un joven animal enjaulado».
En 2011, Norton protagonizó el papel del capitán Stanhope en el drama de la Primera Guerra Mundial Journey’s End. La producción estuvo de gira por el Reino Unido de marzo a junio y se trasladó al Duke of York’s Theatre del West End de julio a septiembre. A continuación, Norton asumió el papel de Geoffrey en El león en invierno en el Theatre Royal, Haymarket dirigido por Trevor Nunn, con quien Norton había trabajado en Cambridge en Cymbeline.
En la película de 2012 Tiempo alegre para la boda, Norton interpretó a Owen, el aspirante a novio de una novia conflictiva. Apareció en la película de 2013 Rush como el piloto de Fórmula 1 Guy Edwards. En la película de 2013 Belle, interpretó a un pretendiente del personaje del título, una mujer mestiza en la sociedad inglesa del siglo XVIII.Las apariciones de Norton en televisión incluyen el episodio de Doctor Who «Cold War», en el que interpretó a un tripulante de un submarino soviético durante la Guerra Fría, y Death Comes to Pemberley, basado en la novela de P. D. James, con personajes de Orgullo y prejuicio, de Jane Austen, envueltos en un misterio de asesinato. Norton fue aclamado por su papel de Tommy Lee Royce, el villano de la exitosa serie policíaca Happy Valley. Michael Hogan, de The Telegraph, escribió: «…la estrella revelación, vista sólo en unos pocos papeles pequeños antes de éste, ha sido el diabólicamente guapo James Norton, de 29 años, como el atroz asesino Royce, al que ha interpretado con una profundidad impresionante». Cuando la primera serie llegó a su dramático final, Norton comentó: «8 millones de personas están deseando mi muerte». Norton confirmó que aparecería en la segunda serie de Happy Valley en los BAFTA de 2015.
Desde 2014, Norton ha interpretado al vicario Sidney Chambers, que resuelve crímenes, junto a Robson Green como el inspector de policía Geordie Keating en la serie de ITV Grantchester, basada en las novelas de James Runcie. Grantchester fue su primer papel protagonista. A principios de 2016 se emitió una segunda serie. Una tercera serie entró en producción en otoño de 2016, y se emitió tanto en el Reino Unido como en Estados Unidos a finales de la primavera y principios del verano de 2017. Una cuarta serie comenzó a rodarse en junio de 2018, y se confirmó que esta sería la última serie de Norton.
También aparece en las películas de 2014 Northmen: A Viking Saga y Mr. Turner, un drama biográfico sobre la vida del artista J. M. W. Turner del director Mike Leigh. En 2015 Norton interpretó a Duncan Grant en la miniserie de la BBC Two sobre el Grupo Bloomsbury, Life in Squares.En 2016, Norton apareció como el príncipe Andrei Bolkonsky en la miniserie de la BBC de la producción de Andrew Davies War & Peace. La miniserie, una coproducción con The Weinstein Company, permitió al reparto rodar en Rusia.
Entre marzo y mayo de 2016, Norton apareció en la obra Bug, de Tracy Letts, en el West End de Londres. En 2016, apareció en «Nosedive», un episodio de la serie de antología Black Mirror. Entre diciembre de 2017 y febrero de 2018 apareció en Belleville, de Amy Herzog, en el Donmar Warehouse Theatre. Como parte de su preparación para su papel en McMafia, Norton estudió el arte marcial ruso y el sistema de salud Systema. En 2019, Norton interpretó a John Brooke en la adaptación cinematográfica de Greta Gerwig de la novela Mujercitas de Louisa May Alcott.