Джеймс Фрейн родился 14 марта 1968 года, он — старший из восьми детей. Его отец — биржевой маклер, а мать — учительница. Фрейн получил образование в Ньюпортской средней школе, затем поступил в Университет Восточной Англии в Норидже, по окончании которого перебрался в Лондон, где обучался актёрскому мастерству в Центральной школе сценической речи и драматического искусства. Будучи на последнем курсе, получил роль в картине Ричарда Аттенборо «Страна теней», которая стала его дебютом на большом экране. Далее последовали многочисленные роли на телевидении и в кино, самой успешной из которых оказалась работа в фильме «Вкус солнечного света» (1999). За роль Густава Зонненшайна он был номинирован на соискание премии «Джини» как лучший актёр второго плана.

Джеймс Фрейн регулярно выступает и на театральной сцене. Он принимал участие в постановках Королевской Шекспировской компании, Королевского придворного театра, а также в спектаклях театров Вест-Энда и на Бродвее. В 2008 году он был удостоен награды Drama Desk Award в номинации «Лучший актёрский состав» в спектакле по пьесе Гарольда Пинтера The Homecoming.

С 2004 года Фрейн женат на американской актрисе Марте Каннингем, у них двое детей.