В начале 2000-х он становится известным благодаря роли Гарри Осборна в трилогии Человек-паук. В 2005 году снялся в фильме Великий рейд, исполнив роль Роберта Принса, командира Батальона Рейнджеров, спасшего военнопленных из лагеря в Кабанатуане во время Второй мировой войны. В следующем году исполнил главные роли в трёх фильмах: Тристан и Изольда, Поединок и Эскадрилья «Лафайет». В 2008 году снялся в комедии Ананасовый экспресс: Сижу, курю с коллегой по сериалу Чудики и чокнутые Сетом Рогеном. Также исполнил эпизодическую роль в фильме Ночи в Роданте и одну из главных ролей в биографическом фильме Харви Милк.
Франко родился 19 апреля 1978 года в Пало-Альто, Калифорния в семье Бетси (в девичестве Верне), поэтессы, писательницы и редактора, и Дага Франко. Отец Джеймса имеет португальские и шведские корни, а мать Джеймса — еврейка. Франко рос в Калифорнии с двумя младшими братьями, Томом и Дэвидом. В 1996 году закончил школу Пало-Альто, где по решению своих одноклассников был назван учеником с «самой лучшей улыбкой» Затем он поступил в Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе по специальности «английский язык». После первого курса ушёл из университета, выбрав карьеру актёра, и брал уроки у Роберта Карнеги из Западного театра.
После пятнадцати месяцев обучения актёрскому мастерству Франко стал участвовать в прослушиваниях в Лос-Анджелесе. В 1999 он получил свою первую главную роль в сериале Чудики и чокнутые, который просуществовал недолго, но был положительно оценён критиками. Первой главной ролью в фильме стала роль в молодёжной комедии Любой ценой (2000), где он снялся со своей бывшей девушкой Марлой Соколофф. Затем он исполнил заглавную роль в телевизионном байопике 2001 года режиссёра Марка Райдела Джеймс Дин. Кен Такер из журнала Entertainment Weekly писал: «Франко мог бы механически проговорить свою роль, создав посредственный образ Дина, но вместо этого он проник в самую суть этого неуверенного в себе молодого человека, лишенного поддержки родных и близких». За эту роль Франко получил награду Золотой глобус, а также был номинирован на Эмми и Награду Гильдии актёров.
Изначально Франко был одним из претендентов на роль Человека-паука / Питера Паркера, главную роль в экранизации Человека-паука, но в итоге был утвержден на роль Гарри Осборна, сына злобного Зелёного Гоблина / Нормана Осборна. После успеха первого фильма Джеймс снялся в двух последующих фильмах трилогии, Человек-паук 2 и Человек-паук 3 В 2002 году Франко снялся в драме Последнее дело Ламарки.. Также снялся с Нив Кэмпбелл в фильме Роберта Олтмена Труппа (2003). В 2005 году он сыграл Роберта Принса в фильме Великий рейд.
В 2006 году Франко сыграл в фильме Поединок и исполнил роль легендарного героя Тристана в фильме Тристан и Изольда, экранизации легенды. Его партнёршей по фильму стала английская актриса София Майлс. Затем он прошёл тренировку с каскадёрской командой «Голубые ангелы» и получил права пилота для роли в фильме Эскадрилья «Лафайет», который вышел в сентябре 2006 года; в этом же месяце Франко сыграл эпизодическую роль в фильме Плетёный человек, где главную роль исполнил Николас Кейдж, режиссёр фильма Жиголо (2002) с Франко в главной роли. Он также сыграл камео в фильме Немножко беременна.
В 2008 году Франко сыграл роль наркодилера Сола в комедии Ананасовый экспресс: Сижу, курю. Партнёром по фильму стал со-автор сценария к фильму и давний знакомый Джеймса Сет Роген, а продюсером фильма выступил Джад Апатоу: оба работали с Франко над сериалом Чудики и чокнутые. За эту роль Франко был отмечен номинацией на Золотой глобус в категории Лучшая мужская роль (комедия или мюзикл). 20 сентября 2008 Джеймс был ведущим Saturday Night Live.
В 2008 году Франко вместе Шоном Пенном, Джошем Бролином и Эмилем Хиршем сыграл в биографическом фильме режиссёра Гаса Ван Сента Харви Милк. Франко исполнил роль Скотта Смита, любовника Харви Милка (Пенн). За эту роль Франко была присуждена награда «Независимый дух» в категории Лучший актёр второго плана.
В 2009 году Франко выступил в роли режиссёра, сняв короткометражку Пир Стивена, за которую на 60-м Берлинском кинофестивале получил премию Тедди.
В ноябре 2010 года объявлен в качестве ведущего премии «Оскар-2011». «Джеймс Франко и Энн Хэтэуэй представляют новое поколение символов Голливуда — энергичных, полных сил и разносторонне талантливых. Мы надеемся, что трансляция церемонии продемонстрирует их невероятные способности» — объяснили свой выбор продюсеры церемонии.
В 2008 году Франко получил степень бакалавра по английскому языку в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе. Свою выпускную бакалаврскую работу Франко писал под руководством писательницы Моны Симпсон. Затем он переехал в Нью-Йорк, чтобы учиться по программе магистров литературы Колумбийского университета, а также в Школе искусств Тиш при Нью-Йоркском университете, где он изучает фильмопроизводство. В этот период Джеймс увлекается живописью, которой он занимался в средней школе. Также можно заметить Франко рисующим в одном из эпизодов третьей части «Человека-паука».
С 2006 года Джеймс Франко находился в любовных отношениях с актрисой Анной О’Райли. В 2011 году они расстались.
В 2008 году Франко стал лицом новой парфюмерной линии Gucci.