James Thierrée è uno dei tanti nipoti di Charlie Chaplin, e ha vissuto nel mondo del circo dall'età di quattro anni insieme ai suoi genitori: Victoria Chaplin e Jean-Baptiste Thiérrée, creatori del Cirque Bonjour. Con la sua famiglia ha lavorato negli spettacoli Le Cirque imaginaire e Le Cirque invisible, mentre da solo, sotto il tendone, ha presentato esercizi di acrobazie, trapezio e biciclette acrobatiche. In questo ambiente ha appreso l'arte della mimica, la magia, e la musica. Per la formazione di commediante ha studiato al Piccolo Teatro di Milano, all'Harvard Theatre School, al Conservatorio nazionale superiore d'arte drammatica di Parigi e all'Acting International francese.
James, oltre ai suoi spettacoli personali di circo e di strada, ha lavorato, e lavora tuttora, anche in teatro e nel cinema, diretto tra l'altro da alcuni grandi registi: Peter Greenaway, Bob Wilson, Coline Serreau, Raul Ruiz e Benno Besson. Come lui, anche sua sorella, Aurelia Thierrée, lavora in teatro e con l'aiuto della loro madre ha creato visionari spettacoli, caratterizzati da magiche scenografie; tra questi il più popolare è L'oratorio di Aurelia.
Nel 1998, James Thierrée ha fondato la sua compagnia, La Compagnie du hanneton. Nel suo primo spettacolo, La Symphonie du hanneton, gioca e mischia varie arti espressive: travestimento, giocoleria, acrobazia, contorsione, danza, canto lirico, musica dal vivo. Uno spettacolo in continua trasformazione, dove il sapore circense si fonde con la poetica circolare della drammaturgia, che racconta simbolicamente la vita di un uomo o dell'uomo, attraverso i suoi incubi notturni, i suoi sogni surreali, gli incontri, le paure, le sfide; a volte in modo grottesco, buffo, a volte in modo romantico, per esempio volando leggero (accompagnato dalle note del suo violino) sopra un lampadario. Con questo spettacolo ha vinto diversi premi: un Adami nel 2005 e quattro Molière nel 2006 (spettacolo, scenografia e rivelazione teatrale per lui, costumi per sua madre Victoria Chaplin).
Nel 2003, ha creato il suo secondo spettacolo, La Veillée des abysses (La veglia degli abissi). Nel 2007, è stato nominato al César del cinema 2007, come miglior interprete maschile, per Désaccord parfait (Disaccordo perfetto), e ha creato un altro spettacolo, Au revoir parapluie (Arrivederci ombrello), per il quale ha ottenuto un altro Molière. Il suo quinto spettacolo, intitolato Tabac Rouge, è stato presentato a Losanna nell'estate 2013.
Nel 2013, ha partecipato all'ideazione delle scenografie per la tournée di Matthieu Chedid.
Attualmente vive a Parigi.