Окончил Принстонский университет (бакалавр, 1960). Степень доктора философии получил в Калифорнийском технологическом институте в 1964 году — под началом Марри Гелл-Мана, впоследствии нобелевского лауреата. Работал в Институте перспективных исследований, Принстонском и Чикагском университетах.
Основатель и в 1995—1997 годах директор Kavli Institute for Theoretical Physics[англ.].
Ныне исследовательский профессор и эмерит-профессор физики Калифорнийского университета в Санта-Барбаре и сотрудник Santa Fe Institute[англ.].
Сотрудничал со Стивеном Хокингом.
Член Американской академии искусств и наук (1989). Фелло Американского физического общества.
Являлся стипендиатом Слоуна, старшим научным фелло НАТО и Гуггенхаймовским стипендиатом.
Джеймс Хартл скончался в Швейцарии на 83 году жизни.