Il a commencé sa carrière dans l'industrie du divertissement en tant qu'assistant-réalisateur sur plusieurs projets télévisés et cinématographiques, notamment la série télévisée "The Bill" et le film "Raining Stones".
En 1998, il a coécrit et réalisé son premier long métrage, "Cruel Intentions", une adaptation du roman français "Les Liaisons dangereuses" de Choderlos de Laclos. Ce film a rencontré un grand succès commercial et critique, notamment grâce à ses acteurs principaux, Sarah Michelle Gellar et Ryan Phillippe.
En 2003, il a réalisé le thriller psychologique "Inside the Mind of Killer Bolt" (ou "Bolt"), écrit par Anthony Hickox. Le film retrace l'histoire d'un tueur en série qui terrorise une ville et les détectives qui se mettent à ses trousses.
En 2005, il a réalisé un autre thriller, "Finding Neverland", écrit par David Magee. Ce film retrace l'histoire de J.M. Barrie et son amitié avec la famille du jeune Garçon qui inspirera plus tard Peter Pan, le personnage emblématique de ses romans. Le film a été un grand succès critique et commercial, notamment grâce à les prestations des acteurs principaux Johnny Depp, Kate Winslet et Julie Christie.
En 2008, il a réalisé "The Imaginarium of Doctor Parnassus", écrit par Terry Gilliam. Ce film est un fantastique qui raconte l'histoire de la famille Parnassus, les derniers descendants d'un magicien qui peut transporter les gens dans leur imagination. Le film a été tourné en partie après la mort de Heath Ledger, qui jouait l'un des rôles principaux, et a utilisé un double numérique pour terminer ses scènes.
En 2018, il a réalisé "The Nutcracker and the Four Realms", une adaptation du conte de fée éponyme de E.T.A. Hoffmann. Ce film retrace l'histoire d'une jeune fille qui voyage dans les quatre royaumes imaginés par le célèbre inventeur toymaker Drosselmeyer, et doit sauver son royaume de la tyrannie du Rat-Roi. Le film a été un échec critique et commercial.
En 2019, il a réalisé "Penny Dreadful: City of Angels", une série télévisée fantastique créée par John Logan. Cette série est une préquelle de la série originale "Penny Dreadful" et se déroule à Los Angeles dans les années 1930. La série a été annulée après une seule saison.
James Melville est marié avec la productrice Sarah Bradshaw, avec qui il a trois enfants. Il réside actuellement à Londres.