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詹姆斯法蘭科起初在茱兒芭莉摩主演的《一吻定江山》(1999)擔任小角色,之後擔綱主要角色的作品則是和塞斯羅根合作的電視劇【怪胎與宅男】(FreaksandGeeks,1999-2000),以及校園喜劇《痞子把辣妹》(2000)。直到他主演傳記電影《詹姆斯迪恩》(2001),為該角嘗試吸煙、彈吉他,鑽研其演出的電影,以揣摩這位不羈的已故巨星詹姆斯迪恩,如此投入的準備與表演,讓他以23歲年輕新人之姿奪下金球獎電視電影類的最佳男主角獎。
2002到2007年,詹姆斯法蘭科在首代蜘蛛人的電影三部曲中演出綠惡魔的兒子哈利奧斯本,同時他也是蜘蛛人的好朋友,這部英雄片讓他知名度大增。2005年,他交出編導演一手包的處女作《新猩人類》,這次飾演的哈利則是想成功到瘋頭的業餘作家。之後在賈德阿帕托製作的喜劇《菠蘿快遞》(2008)扮演藥頭,塞斯羅根扮演藥蟲,因為兩人目睹一樁兇殺案而展開大逃亡,詹姆斯法蘭科以中長髮的邋遢模樣現身,再為他獲得一座金球獎最佳男主角獎提名。
在榮獲奧斯卡八項金獎提名的《自由大道》(2008)中,飾演公開出櫃議員哈維米克的情人史考特史密斯,他以該片抱回獨立精神獎最佳男配角獎。除了該片,他還在《詩吼》(2010)演出50年代知名同志詩人艾倫金斯堡、自導自演探討議題驚世駭俗的同志片《詹姆士放男口》(2013),並在改編自真人真事的《我的直男前男友》(2015)中飾演由同志變成反同牧師的麥可。
2010年,詹姆斯法蘭科擔綱主演《127小時》中的受困岩石間的登山客艾倫羅斯頓,以半紀錄片的方式重現他與死神搏鬥的127個小時,該片幾乎可說是由他一肩扛起。大量的獨角戲與內心戲,讓他的演技獲得更多觀眾的肯定,並首度角逐奧斯卡影帝寶座,拿下獨立精神獎的最佳男主角獎。
2011年,詹姆斯法蘭科在《猩球崛起》中主演基因科學家威爾,該片除了點出不同生物間的權利剝奪,也將詹姆斯法蘭科與凱薩身為不同物種卻有著深刻情感的層面,刻畫地相當觸動人心。儘管在續集《猩球崛起:黎明的進擊》(2014),詹姆斯法蘭科僅以照片的形式現身,在這系列仍是取代不了的精神人物。
近年詹姆斯法蘭科仍有不少喜劇作品,像是由塞斯羅根編導演的《大明星世界末日》(2013)、《名嘴出任務》(2014)。 2016年和布萊恩克雷斯頓在《惱爸偏頭痛》中上演惱爸與未來惱公的戰爭,片中不乏對幾部知名電影的致敬,大部分的搞笑情節都能讓人捧腹大笑,摻雜的成人笑點也不會操弄得太過頭引人不適,算是大人們能闔家觀賞的可愛喜劇片。