Norton trat 2009 als Klassenkamerad von Jenn in dem Film An Education, mit Carey Mulligan in der Hauptrolle, auf. Im Jahr 2010 gehörte er zur Originalbesetzung von Posh am Royal Court Theatre. Am Crucible Theatre in Sheffield spielte Norton 2010 die Hauptrolle in That Face als Henry, ein 18-Jähriger, der die Schule abgebrochen hat, um sich um seine geistig gestörte und drogenabhängige Mutter, gespielt von Frances Barber, zu kümmern. Lynne Walker von The Independent schrieb über seine Leistung: „Im Mittelpunkt steht Henry, der in James Nortons eindrucksvoller Darstellung wie ein junges Tier im Käfig wirkt.“
Im Jahr 2011 spielte Norton die Rolle des Captain Stanhope in dem Erste-Weltkriegs-Drama Journey’s End. Die Produktion tourte von März bis Juni durch Großbritannien und wechselte von Juli bis September an das Duke of York’s Theatre im West End. Norton übernahm dann die Rolle des Geoffrey in The Lion in Winter am Theatre Royal, Haymarket unter der Regie von Trevor Nunn, mit dem Norton in Cambridge in Cymbeline zusammengearbeitet hatte.
In dem Film Cheerful Weather for the Wedding von 2012 spielte Norton Owen, den Möchtegern-Bräutigam einer zerstrittenen Braut. Im Film Rush von 2013 trat er als Formel-1-Fahrer Guy Edwards auf. In dem Film Belle von 2013 spielte er einen Verehrer der Titelfigur, einer gemischtrassigen Frau in der englischen Gesellschaft des 18. Jahrhunderts.Nortons Fernsehauftritte umfassen die Doctor Who-Episode „Cold War“, in der er ein Besatzungsmitglied auf einem sowjetischen U-Boot während des Kalten Krieges spielte, und Death Comes to Pemberley, basierend auf dem P. D. James Roman, in dem Charaktere aus Jane Austens „Stolz und Vorurteil“ in einen Mordfall verwickelt werden. Norton wurde für seine Rolle als Tommy Lee Royce, dem Bösewicht des erfolgreichen Kriminaldramas „Happy Valley“, gefeiert. Michael Hogan von The Telegraph schrieb: „…der Durchbruchstar, der vorher nur in ein paar kleinen Rollen zu sehen war, war der teuflisch gutaussehende James Norton, 29, als der abscheuliche Killer Royce, den er mit beeindruckender Tiefe gespielt hat“. Als die erste Staffel ihr dramatisches Ende fand, kommentierte Norton: „8 Millionen Menschen wünschen mir gerade den Tod“. Norton bestätigte bei den BAFTAs 2015, dass er in der zweiten Staffel von Happy Valley zu sehen sein wird.
Seit 2014 spielt Norton den kriminalitätslösenden Vikar Sidney Chambers an der Seite von Robson Green als Polizeiinspektor Geordie Keating in der ITV-Serie Grantchester, die auf den Romanen von James Runcie basiert. Grantchester war seine erste Hauptrolle. Eine zweite Serie wurde Anfang 2016 ausgestrahlt. Eine dritte Serie ging im Herbst 2016 in Produktion und wurde im späten Frühjahr/Frühsommer 2017 sowohl in Großbritannien als auch in den USA ausgestrahlt. Die Dreharbeiten für eine vierte Serie begannen im Juni 2018, und es wurde bestätigt, dass dies Nortons letzte Serie sein würde.
Er tritt auch in den Filmen Northmen: A Viking Saga und Mr. Turner, einem biografischen Drama über das Leben des Künstlers J. M. W. Turner von Regisseur Mike Leigh. 2015 spielte Norton den Duncan Grant in der BBC Two-Miniserie über die Bloomsbury Group, Life in Squares.2016 erschien Norton als Fürst Andrei Bolkonsky in der BBC-Miniserie von Andrew Davies‘ Inszenierung von War & Peace. Die Miniserie, eine Koproduktion mit The Weinstein Company, erlaubte es der Besetzung, in Russland zu drehen.
Zwischen März und Mai 2016 trat Norton in Tracy Letts‘ „Bug“ im Londoner West End auf. 2016 trat er in „Nosedive“, einer Episode der Anthologie-Serie Black Mirror, auf. Zwischen Dezember 2017 und Februar 2018 trat er in Amy Herzogs „Belleville“ am Donmar Warehouse Theatre auf. Als Teil seiner Vorbereitung auf seine Rolle in McMafia studierte Norton die russische Kampfkunst und das Gesundheitssystem Systema. Im Jahr 2019 porträtierte Norton John Brooke in Greta Gerwigs Verfilmung von Louisa May Alcotts Roman Little Women.