Norton est apparu comme un camarade de classe de Jenn dans le film Une éducation, avec Carey Mulligan, en 2009. En 2010, il a fait partie de la distribution originale de Posh au Royal Court Theatre. Au Crucible Theatre de Sheffield en 2010, Norton a joué dans That Face le rôle d’Henry, un jeune homme de 18 ans qui a abandonné ses études pour s’occuper de sa mère toxicomane et mentalement perturbée, jouée par Frances Barber. Lynne Walker de The Independent a écrit à propos de sa performance : « Au centre de tout cela se trouve Henry qui, dans le portrait saisissant de James Norton, est comme un jeune animal en cage ».
En 2011, Norton a joué le rôle du capitaine Stanhope dans le drame de la Première Guerre mondiale Journey’s End. La production a fait une tournée au Royaume-Uni de mars à juin et a été transférée au Duke of York’s Theatre dans le West End de juillet à septembre. Norton a ensuite pris le rôle de Geoffrey dans The Lion in Winter au Theatre Royal, Haymarket, mis en scène par Trevor Nunn, avec qui Norton avait travaillé à Cambridge dans Cymbeline.
Dans le film Cheerful Weather for the Wedding de 2012, Norton a joué le rôle d’Owen, le futur marié d’une mariée en conflit. Il est apparu dans le film Rush de 2013 dans le rôle du pilote de Formule 1 Guy Edwards. Dans le film Belle de 2013, il a joué le rôle d’un prétendant du personnage-titre, une femme métisse dans la société anglaise du 18e siècle.Les apparitions de Norton à la télévision incluent l’épisode de Doctor Who « Cold War », dans lequel il a joué le rôle d’un membre d’équipage d’un sous-marin soviétique pendant la guerre froide, et Death Comes to Pemberley, basé sur le roman de P. Norton a été acclamé pour son rôle de Tommy Lee Royce, le méchant de la série policière à succès Happy Valley. Michael Hogan, du Telegraph, a écrit : « …la grande vedette, qui n’avait joué que quelques petits rôles auparavant, a été le très beau James Norton, 29 ans, dans le rôle du tueur odieux Royce, qu’il a joué avec une profondeur impressionnante ». Alors que la première série s’achevait sur une conclusion dramatique, Norton a déclaré : « 8 millions de personnes souhaitent actuellement ma mort ». Norton a confirmé qu’il apparaîtrait dans la deuxième série de Happy Valley lors des BAFTA 2015.
Depuis 2014, Norton a joué le rôle du vicaire Sidney Chambers, qui résout des crimes, aux côtés de Robson Green, qui incarne l’inspecteur de police Geordie Keating, dans la série Grantchester d’ITV, basée sur les romans de James Runcie. Grantchester a été son premier rôle principal. Une deuxième série a été diffusée au début de 2016. Une troisième série est entrée en production à l’automne 2016, et a été diffusée au Royaume-Uni et aux États-Unis à la fin du printemps et au début de l’été 2017. Une quatrième série a commencé à être tournée en juin 2018, et il a été confirmé que ce serait la dernière série de Norton.
Il apparaît également dans les films de 2014 Northmen : A Viking Saga et Mr. Turner, un drame biographique sur la vie de l’artiste J. M. W. Turner par le réalisateur Mike Leigh. En 2015, Norton joue le rôle de Duncan Grant dans la mini-série de BBC Two sur le groupe Bloomsbury, Life in Squares.En 2016, Norton apparaît dans le rôle du prince Andrei Bolkonsky dans la mini-série de la BBC de la production d’Andrew Davies, War & Peace. La mini-série, une coproduction avec The Weinstein Company, a permis à la distribution de tourner en Russie.
Entre mars et mai 2016, Norton est apparu dans Bug de Tracy Letts dans le West End de Londres. En 2016, il est apparu dans « Nosedive », un épisode de la série d’anthologie Black Mirror. Entre décembre 2017 et février 2018, il est apparu dans Belleville d’Amy Herzog au Donmar Warehouse Theatre. Dans le cadre de sa préparation pour son rôle dans McMafia, Norton a étudié l’art martial russe et le système de santé Systema. En 2019, Norton a interprété John Brooke dans l’adaptation cinématographique de Greta Gerwig du roman Little Women de Louisa May Alcott.