Mit elf Jahren spielte er 1950 seine erste Hauptrolle in der Ealing-Produktion The Magnet. Später besuchte er die Central School of Speech and Drama.
Sein schauspielerischer Durchbruch gelang ihm mit der Hauptrolle in Joseph Loseys The Servant (1963). Nach seiner Rolle in dem 1970 gedrehten Film Performance von Donald Cammell (Co-Regie Nicolas Roeg) zog sich Fox für acht Jahre von der Schauspielerei zurück.
Nach seinem Comeback spielte Fox in Filmen wie Reise nach Indien (1984), Absolute Beginners – Junge Helden (1986) mit Patsy Kensit und David Bowie, Das Rußland-Haus (1990) mit Sean Connery, Michelle Pfeiffer und Roy Scheider, Die Stunde der Patrioten (1992) mit Harrison Ford und Was vom Tage übrig blieb (1993) mit Anthony Hopkins, Emma Thompson und Hugh Grant. In Anna Karenina mit Sophie Marceau in der Titelrolle und Sean Bean als Nebenbuhler Graf Wronski spielte Fox 1997 den Fürsten Alexei Alexandrowitsch Karenin. 1999 war er in den Filmkomödien Mickey Blue Eyes mit Hugh Grant und James Caan und Der Prinz & ich neben Julia Stiles zu sehen.
2005 wirkte er an dem zweiteiligen britischen Fernsehfilm Colditz – Flucht in die Freiheit an der Seite seines Sohnes Laurence Fox mit und im selben Jahr an der Verfilmung von Roald Dahls Kinderbuchklassiker Charlie und die SchokoladenfabrikJames Fox ist seit 1973 mit Mary Elizabeth Piper verheiratet und hat fünf Kinder, darunter die Schauspieler Laurence und Jack Fox. Seine Brüder sind der Schauspieler Edward Fox und der Filmproduzent Robert Fox, seine Nichte ist die SchauspielerinEmilia Fox.
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