1979'da Glasgow'da doğan McAvoy'un annesi Elizabeth hemşire, babası James McAvoy, Sr. tamirciydi. Joy adında bir kızkardeşi, Donald adında bir üvey kardeşi vardır. Annesiyle babasının henüz 7 yaşındayken ayrılmasından sonra büyükanne ve babasının evinde büyüdü. Babasıyla ilerleyen yıllarda iletişimi tamamen kesildi.

Daha öncesinde pek ilgisi olmasa da 1995'te bir rol aldığı The Near Room filminin ardından oyunculuğa merak sardı. Gençlik tiyatrolarında oynadıktan sonra 2000'de Royal Scottish Academy of Music and Drama'dan mezun oldu. 2001'de Out in the Open adlı oyundaki performansıyla yönetmen Joe Wright'ın dikkatini çekti. 2004 yılında başlayan Shameless dizisinin ilk 2 sezonunda Steve McBride karakterini canlandırdı. 2006 yılında The Last King of Scotland filmiyle BAFTA En İyi Yardımcı Erkek Oyuncu Ödülü'ne aday gösterilmiş, aynı sene BAFTA Yükselen Yıldız Ödülü'nü kazanmıştır. Ertesi sene Wright'ın Kefaret (Atonement) filmiyle en iyi aktör dalında Altın Küre'ye aday olmayı başarmıştır. Bu filmlerden sonra Hollywood'un önemli yapımlarından teklifler almaya başladı.

2008'de Angelina Jolie ve Morgan Freeman'la aksiyon filmi Wanted'da başrolde yer aldı. 2011'de X-Men: First Class filminde Profesör X'i canlandırdı. Sonraki 2 filmde daha aynı rolü üstlendi. 2015'te ünlü gerilim karakteri Frankenstein'ın uyarlaması Victor Frankenstein'da başroldeydi. 2016 yapımı M. Night Shyamalan gerilimi Parçalanmış'da (Split) 23 farklı kişiliğe bölünmüş Kevin'ı canlandırdı. 2017'de Sarışın Bomba (Atomic Blonde) filminde başrolde Charlize Theron'la birlikte yer aldı.

2006 yılında aktris Anne-Marie Duff ile evlendi, ama 2016'da evlilikleri boşanmayla sona erdi. Bu evlilikten Brendan (d. 2010) adında bir oğlu bulunmaktadır.