En 2009, J. Norton interprète un petit rôle, au côté de Carey Mulligan et d'Emma Thompson dans le film anglo-américain An Education (Une éducation), dirigé par Lone Scherfig.
En 2010, il fait partie de la distribution de Posh, pièce de théâtre écrite par Laura Wade et jouée au Royal Court Theatre de Chelsea à Londres. Toujours en 2010, au Crucible Theatre de Sheffield, dans That Face, pièce de Polly Stenham, il tient le rôle d'Henry, un adolescent de 18 ans qui a abandonné ses études afin de s'occuper de Martha, sa mère toxicomane et psychologiquement perturbée, interprétée par Frances Barber. À son propos, la critique de Lynne Walker (1956-2011) parue dans le journal The Independent, souligne : « Au centre de toute l'histoire se place Henry, dont la saisissante interprétation par James Norton le montre bien se comporter comme un jeune animal en cage. »
En 2011, James Norton est le Captain Stanhope dans la classique Journey's End (Le Grand Voyage), pièce censée se dérouler dans un secteur britannique du front au cours de la Première Guerre mondiale. La tournée que la troupe théâtrale fait de mars à juin au Royaume-Uni, débouche sur une reprise au Duke of York's Theater du West End de Londres, de juillet à septembre. Peu après, au Théâtre Royal (Haymarket) de Londres, James Norton devient Geoffrey dans la pièce The Lion in Winter (Un lion en hiver) de James Goldman mise en scène par Trevor Nunn, celui-là même qui l'avait précédemment dirigé à Cambridge. En 2012, on le retrouve sous les traits d'Owen au générique du film Cheerful Weather for the Wedding (Drôle de temps pour un mariage) puis en 2013 sous ceux du pilote automobile Guy Edwards dans Rush, ou ceux d'un des soupirants du rôle-titre Belle une jeune métisse - fille d'un Amiral anglais et d'une esclave noire - élevée comme une aristocrate dans la Bonne société anglaise du xviiie siècle.
À la télévision, James Norton apparait dans Cold War, le huitième épisode de la septième saison de la série fantastique Doctor Who et dans la dramatique Death Comes to Pemberley (La mort s'invite à Pemberley), qui selon l'article que lui consacre Télérama par la suite en France, est une « suite criminelle de l'un des romans les plus lus de Jane Austen », Orgueil et Préjugés, dont le château de Pemberley, propriété de Mr Darcy, est le lieu le plus emblématique.
James Norton est ovationné pour son interprétation de Tommy Lee Royce, le « méchant » de la série policière Happy Valley programmée sur BBC One ; dans le journal The Telegraph, le critique Michael Hogan n'hésite pas à écrire : « ... la naissance d'une star, seulement connu par quelques petits rôles avant celui-ci, le diaboliquement élégant James Norton, 29 ans, est devenu le haïssable assassin Royce, qu'il interprète avec maestria ». À la fin de la diffusion de cette série, en parlant du personnage qu'il y avait incarné, James déclare « avoir au moins huit millions de personnes qui souhaitent sa mort »... À l'issue des BAFTAs de 2015, Norton annonce son retour dans une deuxième saison d'Happy Valley.
Quand, en 2014, il interprète le rôle du Révérend Sidney Chambers dans Grantchester, une série de six épisodes produite par la chaîne britannique ITV d'après la suite littéraire de James Runcie, il décroche son véritable tout premier rôle. Son personnage forme un improbable duo d'enquêteurs avec l'Inspecteur de police Geordie Keating (interprété par Robson Green), à la chasse de criminels et d'assassins. Une deuxième série est en cours de production dès 2015.
En 2014, James Norton figure aux génériques des films Northmen : A Viking Saga et Mr. Turner.
En 2015, il incarne Duncan Grant dans Life in Squares, mini-série produite par la chaîne BBC Two qui s'intéresse au Bloomsbury Group, un cercle d'intellectuels marginaux qui, au début du xxe siècle, réunissait plusieurs écrivains, penseurs et artistes britanniques.
L'année suivante, toujours pour la télévision, il devient le Prince Bolkonsky dans la mini-série britannique de six épisodes Guerre et Paix.
En 2018 il interprète le rôle de Alex Godman dans la serie McMafia produite par Amazon Prme vidéo , il incane le fils d'un patron de la mafia russe exilé à Londres, qui tente d'échapper au monde du crime organisé.
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