В начале карьеры Джеймса Кэттелла психология рассматривалась учёными как незначительная область исследований или даже лженаука наподобие френологии. Возможно, Кэттелл более чем кто-либо из его современников способствовал становлению психологии как уважаемой науки. После его смерти Нью-Йорк Таймс назвала его «старейшиной американской науки».
Джеймс родился в Истоне (Пенсильвания), в состоятельной известной семье. Его отец, Уильям Кэсседи Кэттелл, пресвитерианский священник, вскоре после рождения сына занял пост президента Лафайет-Колледжа. Средств для воспитания ребёнка было более чем достаточно, так как Элизабет Маккин, мать Джеймса также была весьма состоятельной невестой. Для иллюстрации известности семьи можно также упомянуть Александра Гилмора Кэттелла, брата Уильяма, который представлял Нью-Джерси в Сенате США.
По всем имеющимся сведениям, детство Джеймса Кэттелла было вполне счастливым, он в 16 лет поступил в Лафайет Колледж, где получил свой первый диплом с отличием через четыре года. В 1883 там же он получил диплом магистра. Основное внимание его научной работы того времени было сосредоточено на английской литературе, хотя и математике он также уделял внимание.
Кэттелл нашёл своё призвание только после поездки на учёбу в Германию, где он встретил своего наставника, Вильгельма Вундта, считающегося основателем современной психологии. Он покинул Германию в 1882 для обучения в Университете Джона Хопкинса, однако уже через год вернулся в Лейпциг, для работы в должности ассистента Вундта. С собой он привёз четыре пишущих машинки марки «Ремингтон». Вундт был настолько восхищен машинками, что стал обладателем одной из них и значительно увеличил количество своих работ. Совместный труд был весьма продуктивен, вдвоём они заложили основы для научного исследования интеллекта, а Кэттелл под руководством своего наставника стал первым американцем, защитившим докторскую диссертацию по психологии («Психометрическое исследование», Psychometric Investigation).
После возвращения из Германии, карьера Кэттелла развивалась бурными темпами. В 1888 году он стал первым в США профессором психологии в Пеннсильванском университете, затем деканом факультета психологии, антропологии и философии Колумбийского университета, а в 1895 был избран президентом Американской психологической ассоциации.
С самого начала своей карьеры Кэттелл посвятил свой труд превращению психологии в уважаемую область научных исследований, подобную традиционным естественным наукам, химии и физике. Полагая, что дальнейшая работа может сделать интеллект набором стандартных единиц для измерения, он применял к этой задаче методы, разработанные Фрэнсисом Гальтоном.
1 октября 1917 Кэттелл был уволен из Колумбийского университета за его выступления против Первой мировой войны. Однако, по итогам судебного разбирательства, университет был вынужден выплатить 40000$, которые легли в основу созданной Кэттеллом в 1921 Psychological Corporation, одной из крупнейших психодиагностических фирм в США.
Кэттелл оказался более известен своей организаторской деятельностью, нежели научными исследованиями, так как работа по редактированию и изданию научных журналов отнимала много времени. В 1894 году он основал Psychological Review, одного из наиболее влиятельных журналов, издаваемых сейчас АПА. В 1895 он выкупил издание Science у Александра Грэма Белла, которое вскоре стало официальным изданием Американской ассоциации развития науки.