Norton è apparso come un compagno di classe di Jenn nel film An Education, con Carey Mulligan, nel 2009. Nel 2010, è stato un membro del cast originale di Posh al Royal Court Theatre. Al Crucible Theatre di Sheffield nel 2010, Norton ha recitato in That Face nel ruolo di Henry, un diciottenne che ha abbandonato la scuola per occuparsi della madre mentalmente disturbata e tossicodipendente, interpretata da Frances Barber. Lynne Walker di The Independent ha scritto della sua performance: “Al centro di tutto c’è Henry che, nel suggestivo ritratto di James Norton, è come un giovane animale in gabbia”.
Nel 2011, Norton ha interpretato il Capitano Stanhope nel dramma della Prima Guerra Mondiale Journey’s End. La produzione ha girato il Regno Unito da marzo a giugno e si è trasferita al Duke of York’s Theatre nel West End da luglio a settembre. Norton ha poi preso il ruolo di Geoffrey in The Lion in Winter al Theatre Royal, Haymarket diretto da Trevor Nunn, con cui Norton aveva lavorato a Cambridge in Cymbeline.
Nel film del 2012 Cheerful Weather for the Wedding, Norton ha interpretato Owen, l’aspirante sposo di una sposa combattuta. È apparso nel film Rush del 2013 nel ruolo del pilota di Formula Uno Guy Edwards. Nel film del 2013 Belle, ha interpretato un corteggiatore del personaggio del titolo, una donna di razza mista nella società inglese del 18° secolo.Le apparizioni televisive di Norton includono l’episodio di Doctor Who “Cold War”, in cui ha interpretato un membro dell’equipaggio di un sottomarino sovietico durante la Guerra Fredda, e Death Comes to Pemberley, basato sul romanzo di P. D. James che coinvolge i personaggi di Jane Jane, la moglie e il marito. D. James che coinvolge personaggi di Orgoglio e Pregiudizio di Jane Austen coinvolti in un omicidio misterioso.Norton è stato acclamato per il suo ruolo di Tommy Lee Royce, il cattivo della fiction di successo Happy Valley. Michael Hogan del The Telegraph ha scritto: “…la star di spicco, vista solo in alcune piccole parti prima di questa, è stato il diabolicamente bello James Norton, 29 anni, nel ruolo dell’odioso killer Royce, che ha interpretato con una profondità impressionante”. Quando la prima serie è giunta alla sua drammatica conclusione, Norton ha commentato: “8 milioni di persone mi stanno desiderando morto”. Norton ha confermato che apparirà nella seconda serie di Happy Valley ai BAFTA 2015.
Dal 2014, Norton ha interpretato il vicario che risolve i crimini Sidney Chambers accanto a Robson Green come ispettore di polizia Geordie Keating nella serie ITV Grantchester, basata sui romanzi di James Runcie. Grantchester è stato il suo primo ruolo da protagonista. Una seconda serie è stata trasmessa all’inizio del 2016. Una terza serie è entrata in produzione nell’autunno 2016, ed è andata in onda sia nel Regno Unito che negli Stati Uniti nella tarda primavera/inizio estate 2017. Una quarta serie ha iniziato le riprese nel giugno 2018, ed è stato confermato che questa sarebbe stata la serie finale di Norton.
Appare anche nei film del 2014 Northmen: A Viking Saga e Mr. Turner, un dramma biografico sulla vita dell’artista J. M. W. Turner del regista Mike Leigh. Nel 2015 Norton ha interpretato Duncan Grant nella miniserie della BBC Two sul gruppo Bloomsbury, Life in Squares.Nel 2016, Norton è apparso come il principe Andrei Bolkonsky nella miniserie della BBC della produzione di Andrew Davies di War & Peace. La miniserie, una co-produzione con The Weinstein Company, ha permesso al cast di girare in Russia.
Tra marzo e maggio 2016, Norton è apparso in Bug di Tracy Letts nel West End di Londra. Nel 2016 è apparso in “Nosedive”, un episodio della serie antologica Black Mirror. Tra dicembre 2017 e febbraio 2018 è apparso in Belleville di Amy Herzog al Donmar Warehouse Theatre. Come parte della sua preparazione per il suo ruolo in McMafia, Norton ha studiato l’arte marziale russa e il sistema sanitario Systema. Nel 2019, Norton ha interpretato John Brooke nell’adattamento cinematografico di Greta Gerwig del romanzo Little Women di Louisa May Alcott.