Norton pojawił się jako kolega z klasy Jenn w filmie An Education, z Carey Mulligan w roli głównej, w 2009 roku. W 2010 roku był członkiem oryginalnej obsady sztuki Posh w Royal Court Theatre. W 2010 roku w Crucible Theatre w Sheffield Norton wystąpił w sztuce That Face jako Henry, 18-latek, który porzucił szkołę, aby opiekować się swoją zaburzoną psychicznie i uzależnioną od narkotyków matką, graną przez Frances Barber. Lynne Walker z The Independent napisała o jego występie: „W centrum tego wszystkiego jest Henry, który w uderzającym portrecie Jamesa Nortona jest jak młode zwierzę w klatce”.
W 2011 roku Norton wystąpił jako kapitan Stanhope w dramacie z czasów pierwszej wojny światowej Journey’s End. Spektakl był wystawiany w Wielkiej Brytanii od marca do czerwca i został przeniesiony do Duke of York’s Theatre na West Endzie od lipca do września. Następnie Norton wcielił się w rolę Geoffrey’a w The Lion in Winter w Theatre Royal, Haymarket w reżyserii Trevora Nunna, z którym Norton pracował w Cambridge w Cymbeline.
W filmie z 2012 roku Cheerful Weather for the Wedding, Norton zagrał Owena, niedoszłego pana młodego skłóconej panny młodej. Pojawił się w filmie Rush z 2013 roku jako kierowca Formuły 1 Guy Edwards. W filmie Belle z 2013 roku zagrał zalotnika tytułowej bohaterki, kobiety mieszanej rasy w XVIII-wiecznym angielskim społeczeństwie.Występy Nortona w telewizji obejmują odcinek Doctor Who „Cold War”, w którym zagrał załoganta na radzieckiej łodzi podwodnej podczas zimnej wojny, oraz Death Comes to Pemberley, oparty na powieści P. Norton został doceniony za rolę Tommy’ego Lee Royce’a, czarnego charakteru w przebojowym dramacie kryminalnym Happy Valley. Michael Hogan z The Telegraph napisał: „…wybijającą się gwiazdą, widzianą wcześniej tylko w kilku małych rolach, był diabelnie przystojny James Norton, lat 29, jako ohydny morderca Royce, którego zagrał z imponującą głębią”. Gdy pierwsza seria dobiegła dramatycznego końca, Norton skomentował to słowami: „8 milionów ludzi życzy mi obecnie śmierci”. Norton potwierdził, że pojawi się w drugiej serii Happy Valley podczas BAFTAs 2015.
Od 2014 roku Norton grał rozwiązującego problemy kryminalne wikarego Sidneya Chambersa obok Robsona Greena jako inspektora policji Geordie Keatinga w serialu ITV Grantchester, opartym na powieściach Jamesa Runcie. Grantchester był jego pierwszą główną rolą. Druga seria została wyemitowana na początku 2016 roku. Trzecia seria weszła do produkcji jesienią 2016 roku i została wyemitowana zarówno w Wielkiej Brytanii, jak i w Stanach Zjednoczonych późną wiosną/wczesnym latem 2017 roku. Czwarta seria rozpoczęła filmowanie w czerwcu 2018 roku i potwierdzono, że będzie to ostatnia seria Nortona.
Występuje również w filmach z 2014 roku Northmen: A Viking Saga oraz Mr. Turner, dramacie biograficznym o życiu artysty J. M. W. Turnera autorstwa reżysera Mike’a Leigh. W 2015 roku Norton zagrał Duncana Granta w miniserialu BBC Two o grupie Bloomsbury, Life in Squares.W 2016 roku Norton pojawił się jako książę Andriej Bołkoński w miniserialu BBC produkcji Andrew Daviesa Wojna & Pokój. Miniserial, będący koprodukcją z The Weinstein Company, pozwolił obsadzie na filmowanie w Rosji.
Między marcem a majem 2016 roku Norton wystąpił w „Bugu” Tracy’ego Lettsa na londyńskim West Endzie. W 2016 roku pojawił się w „Nosedive”, odcinku serialu antologicznego Black Mirror. Między grudniem 2017 a lutym 2018 roku wystąpił w „Belleville” Amy Herzog w Donmar Warehouse Theatre. W ramach przygotowań do roli w McMafii, Norton studiował rosyjską sztukę walki i system zdrowotny Systema. W 2019 roku Norton sportretował Johna Brooke’a w filmowej adaptacji Grety Gerwig powieści Louisy May Alcott „Małe kobietki”.