Norton was in 2009 te zien als een klasgenoot van Jenn in de film An Education, met Carey Mulligan in de hoofdrol. In 2010 was hij een van de oorspronkelijke castleden van Posh in het Royal Court Theatre. In het Crucible Theatre in Sheffield speelde Norton in 2010 de hoofdrol in That Face als Henry, een 18-jarige die van school is gegaan om voor zijn geestelijk gestoorde en aan drugs verslaafde moeder te zorgen, gespeeld door Frances Barber. Lynne Walker van The Independent schreef over zijn optreden: “In het middelpunt van dit alles staat Henry die, in James Norton’s treffende vertolking, is als een jong gekooid dier”.
In 2011 speelde Norton de hoofdrol als Captain Stanhope in het Eerste Wereldoorlog drama Journey’s End. De productie toerde van maart tot juni door het Verenigd Koninkrijk en verhuisde van juli tot september naar het Duke of York’s Theatre in West End. Norton nam vervolgens de rol van Geoffrey in The Lion in Winter in het Theatre Royal, Haymarket geregisseerd door Trevor Nunn, met wie Norton in Cambridge had samengewerkt in Cymbeline.
In de film Cheerful Weather for the Wedding uit 2012 speelde Norton Owen, de would-be bruidegom van een in conflict geraakte bruid. Hij verscheen in 2013 in de film Rush als Formule 1-coureur Guy Edwards. In de film Belle uit 2013 speelde hij een huwelijkskandidaat van het titelpersonage, een vrouw van gemengd ras in de 18e-eeuwse Engelse samenleving.Nortons televisieoptredens omvatten de Doctor Who aflevering “Cold War”, waarin hij een bemanningslid speelde op een Sovjet-onderzeeër tijdens de Koude Oorlog, en Death Comes to Pemberley, gebaseerd op de P. D. James, waarin personages uit Jane Austen’s Pride and Prejudice verwikkeld raken in een moordmysterie. Norton werd geprezen voor zijn rol als Tommy Lee Royce, de schurk in het misdaaddrama Happy Valley. Michael Hogan van The Telegraph schreef: “…de doorbraakster, die hiervoor slechts in een paar kleine rollen te zien was, is de duivels knappe James Norton, 29, als de gruwelijke moordenaar Royce, die hij met indrukwekkende diepgang heeft gespeeld”. Toen de eerste serie dramatisch was afgelopen, zei Norton: “8 miljoen mensen wensen me momenteel dood”. Norton bevestigde tijdens de BAFTA’s van 2015 dat hij in de tweede serie van Happy Valley te zien zou zijn.
Sinds 2014 speelde Norton misdaadoplossende dominee Sidney Chambers naast Robson Green als politie-inspecteur Geordie Keating in de ITV-serie Grantchester, gebaseerd op de romans van James Runcie. Grantchester was zijn eerste hoofdrol. Een tweede serie werd begin 2016 uitgezonden. Een derde serie ging in het najaar van 2016 in productie, en werd in zowel het Verenigd Koninkrijk als de VS uitgezonden in de late lente/vroege zomer van 2017. Een vierde serie begon met filmen in juni 2018, en er werd bevestigd dat dit Norton’s laatste serie zou zijn.
Hij is ook te zien in de films Northmen uit 2014: A Viking Saga en Mr. Turner, een biografisch drama over het leven van de kunstenaar J. M. W. Turner van regisseur Mike Leigh. In 2015 speelde Norton Duncan Grant in de BBC Two miniserie over de Bloomsbury Group, Life in Squares.In 2016 was Norton te zien als prins Andrei Bolkonsky in de BBC miniserie van Andrew Davies’ productie War & Peace. De miniserie, een coproductie met The Weinstein Company, stelde de cast in staat om in Rusland te filmen.
Tussen maart en mei 2016 verscheen Norton in Tracy Letts’ Bug op het Londense West End. In 2016 was hij te zien in “Nosedive”, een aflevering van de anthologieserie Black Mirror. Tussen december 2017 en februari 2018 verscheen hij in Amy Herzog’s Belleville in het Donmar Warehouse Theatre. Als onderdeel van zijn voorbereiding op zijn rol in McMafia, bestudeerde Norton de Russische vechtkunst en gezondheidssysteem Systema. In 2019 portretteerde Norton John Brooke in Greta Gerwigs verfilming van Louisa May Alcott’s roman Little Women.