Marsden wuchs in Oklahoma City, Oklahoma, auf. Seine Eltern ließen sich scheiden, als er neun Jahre alt war. Marsden hat vier Geschwister: zwei jüngere Schwestern und zwei Brüder. Er besuchte die Hefner Middle School, später die Putnam City North High School in Oklahoma City und anschließend die Oklahoma State University, um dort Fernsehjournalismus zu studieren. Das Studium brach Marsden nach eineinhalb Jahren ab und zog nach Los Angeles, um dort einer Schauspielerkarriere nachzugehen.
Seine erste Rolle hatte Marsden 1993 in dem Fernsehdrama Die Tragödie von Waco. Nach einigen weiteren Rollen in Fernsehserien wie Die Nanny, Party of Five und Ein Hauch von Himmel erhielt er 1998 eine der Hauptrollen in dem Teenager-Horrorfilm Dich kriegen wir auch noch!. Von 2001 bis 2002 war er in der fünften Staffel der erfolgreichen Anwaltsserie Ally McBeal in der Rolle des Anwalts Glenn Foy zu sehen.
Einem breiten Publikum wurde Marsden bekannt durch seine Verkörperung des Cyclops in drei Teilen der X-Men-Verfilmungen. In den nachfolgenden Jahren trat er in Komödien wie Verwünscht und 27 Dresses auf. In der Neuverfilmung des Musicals Hairspray spielte Marsden die Rolle des Showmoderators Corny Collins. Seit 2016 ist er als Teddy Flood in der HBO-Fernsehserie Westworld zu sehen.
James Marsden heiratete am 22. Juli 2000 die Schauspielerin Mary Elizabeth Lisa Linde, die Tochter des Country-Musik-Komponisten Dennis Linde. Linde reichte am 23. September 2011 die Scheidung ein. Die beiden haben einen Sohn (* 2001) und eine Tochter (* 2005). Mit seiner früheren Freundin Rose Costa hat Marsden einen gemeinsamen Sohn (* 2012).
In Produktionen zu Anfang seiner Karriere wurde er im Abspann häufig als Jimmy Marsden geführt.
1996 hatte sich Marsden neben Schauspielerkollegen wie Matt Damon, Wil Wheaton und Leonardo DiCaprio für die jugendliche Hauptrolle in dem Thriller Zwielicht beworben, die dann an Edward Norton ging.
Die ihm 1998 angebotene Hauptrolle in dem Filmdrama Studio 54 lehnte er ab, sie wurde schließlich von Ryan Phillippe übernommen.
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