James Purefoy étudie l'art dramatique à la Central School of Speech and Drama, avant de jouer avec la Royal Shakespeare Company, notamment « Le Roi Lear », « La Tempête » et « Macbeth » de Shakespeare.

Il débute à la télévision britannique dans la série « Coasting » (1990), et enchaîne avec de nombreux rôles dans « Les Souvenirs de Sherlock Holmes » (1991), « Boon » (1991), « Rides » (1993), « Tears before Bedtime » (1995), « The Tenant of Wildfell Hall » (1996), « Le Prince et le pauvre » (1996) » ou « A Dance to the Music of Time » (1997).

Comme dans les téléfilms « The Cloning of Joana May » et « Angels » de Philip Saville (1992), « Sharpe's Sword » de Tom Clegg (1995), « The Tide of Life » de David Wheatley (1996), « Have your Cake and Eat it » de Paul Seed (1997) ou « Bright Hair » de Christopher Menaul (1997).

C'est ce dernier qui mène l'acteur au grand écran dans FEAST OF JULY (1995). Après l'inédit en France JILTING JOE de Dan Zeff (1997), il mélange les genres dans DES CHAMBRES ET DES COULOIRS de Rose Troche (1998), MANSFIELD PARK de Patricia Rozema (1999), WOMEN TALKING DIRTY de Coky Giedroyc (1999), LE PHARE DE L'ANGOISSE de Simon Hunter (2000), MAYBE BABY de Ben Elton (2000), THE WEDDING TACKLE de Rami Dvir (2000) et DOMANI de Francesca Archibugi (2001), aidé de son physique imposant et solide.

Il prend du galon dans les aventures costumées de CHEVALIER de Brian Helgeland (2001) avec Heath Ledger et VANITY FAIR LA FOIRE AUX VANITES de Mira Nair (2004) avec Reese Witherspoon, dans le fantastique de RESIDENT EVIL de Paul W. S. Anderson (2002) avec Milla Jovovich, et de GEORGES ET LE DRAGON de Tom Reeve (2004)/

Il multiplie les rôles cathodiques dans « Don Quichotte » de Peter Yates (2000), « Metropolis » de Glenn Wilhide (2000), « Frankenstein » de Jed Mercurio (2007), en Beau Brummell (Philippa Lowthorpe, 2006), Barbe-Noire (Richard Dale & Tilman Remme, 2006), Marc-Antoine dans la série HBO/BBC « Rome » (2005-07), dans « Diamonds » (2008-09), « The Philantropist » (2009).

Il mène en mercenaire du XVIe siècle SOLOMON KANE de Michael J. Bassett (2009) puis assiste aux exploits de JOHN CARTER (Andrew Stanton, 2012).