James Franco s'inscrit en 1996 à l'Université d'UCLA afin de suivre des cours d'anglais. Pour surmonter sa timidité, il fait parallèlement du théâtre, tout en continuant à étudier... pendant un an, avant de stopper définitivement ses études. Après avoir suivie pendant quinze mois des cours de théâtre au Robert Carnegie's Playhouse West, il décroche le rôle-titre dans la série Freaks and Geeks (1999). Toutefois, celle-ci n'est pas un franc succès à son lancement, si bien qu'elle s'arrête au bout d'un an. Il enchaîne la même année les tournages de To serve and protect pour la télévision, et donne la réplique à Drew Barrymore pour son premier film : College attitude.Le comédien remporte en 2001 un Golden Globe pour sa prestation dans James Dean, biopic consacré au légendaire acteur. Après avoir perdu le rôle-titre de Spider-Man au profit de Tobey Maguire, il endosse finalement le rôle d'Harry Osborn, le meilleur ami du super-héros. Le film est un succès planétaire. En 2002, il tourne pour la première fois aux côtés de Robert De Niro dans City by the sea, tandis que Robert Altman fait appel à lui pour les besoins de Company. James Franco est également à l'affiche de Sonny, le premier long-métrage de Nicolas Cage en tant que réalisateur, et donne la réplique à Joseph Fiennes dans The Great raid. L'acteur retrouve en 2003 Robert Altman pour Paint, avant de reprendre du service derrière l'objectif de Sam Raimi dans Spider-Man 2.
Dans un registre plus physique, on le voit dans Annapolis (2005), The Great Raid (id.) et Flyboys (2006), trois inédits DVD, ainsi que la fresque moyenâgeuse Tristan & Yseult (2006). Souhaitant casser l'image de jeune premier que véhiculent certains de ses films, l'acteur s'essaie à quelques contre-emplois avec Père et flic (2004), où il joue le fils rebelle de Robert De Niro, Company (id.), où il danse pour Robert Altman, Dans la vallée d'Elah (2007) où il incarne un soldat américain envoyé en Irak et Harvey Milk (2008), où il campe le compagnon militant de Sean Penn.
S'essayant à la réalisation avec de petits films indépendants (Fool's Gold, The Ape et Good Time Max), James Franco continue à surprendre en rejoignant le clan Judd Apatow pour les comédies En cloque, mode d'emploi (2007) et Délire Express (2008). En 2010, il reste dans la comédie en jouant un second rôle dans Crazy Night de Shawn Levy, avec Steve Carell et Tina Fey. La même année, le comédien donne la réplique à Julia Roberts dans Mange, prie, aime, un film adapté d'un récit autobiographique centré sur une femme effectuant un long voyage après un divorce difficile.
De plus en plus sollicité, il est choisi pour incarner Aron Ralston devant la caméra de Danny Boyle, dans 127 heures. Cette histoire vraie d’un alpiniste coincé dans un canyon fait de lui l'un des favoris de la course aux Oscars, cérémonie qu’il co-présente avec Anne Hathaway. Toujours en 2011, il est à l'affiche de La Planète des singes : les origines, un prequel de la célèbre saga de science-fiction, et du loufoque Votre majesté réalisé par son pote David Gordon Green.
L’acteur est un boulimique de travail car il multiplie les projets, devant ou derrière la caméra. Début 2012, son biopic sur Sal Mineo, partenaire de James Dean dans La Fureur de vivre, sort en DVD en France. 2013 est à nouveau une année chargée pour l'artiste : il incarne un malfrat au look improbable dans Spring Breakers, avant de prêter ses traits au célèbre magicien dans Le Monde fantastique d’Oz et de participer à la comédie déjantée C'est la fin, où il joue son propre rôle. Il entamme 2014 en jouant un méchant improbable dans Homefront porté par Jason Statham.
James Franco retourne à la réalisation avec As I lay Dying, une adaptation de l'oeuvre du même nom de Faulkner, un auteur qu'il apprécie particulièrement puisqu'il s'attèle en 2014 à une nouvelle transposition, cette fois-ci du roman The Sound and the Fury, l'histoire d'une famille du sud des Etats-Unis. La même année, il est au coeur du scandale des "Sony Leaks", puisque son film The Interview, une énième comédie avec son ami Seth Rogen où il se met en scène en mission spéciale pour assassiner le dictateur nord-coréen Kim-Jung Un, est piraté et diffusé sur Internet, en plus d'être soupçonné d'être la cause de la cyber-attaque sur Sony.
Franco cultive sa réputation d'acteur polyvalent, et enchaîne les rôles dramatiques et les collaborations prestigieuses : il interprète d'abord un écrivain torturé dans Everything will be fine (2015) de Wim Wenders, aux côtés de Charlotte Gainsbourg. Dans Good People, il devient un jeune homme en difficulté financière embarqué contre son gré dans de sombres affaires. Il est ensuite le meurtrier Christian Longo dans True Story, avant de faire une apparition chez Werner Herzog, pour Queen of the Desert avec Nicole Kidman. L'infatigable acteur prête également sa voix au renard dans la version anglophone du Petit Prince.
