Nipote del celebre cineasta Charlie Chaplin, Thierrée è cresciuto in Svizzera in una famiglia di attori circensi. Nato dall'unione tra l'attrice teatrale Victoria Chaplin e Jean-Baptiste Thiérrée, ha lavorato fin dalla tenera età nel Cirque Bonjour, creato dalla sua famiglia. Acrobata, trapezista, clown, mago e mimo, James apprende in giovane età la danza e il violino per poi seguire, da adolescente, le orme del nonno, completando la sua formazione al Piccolo Teatro di Milano e alla Harvard Theatre School.

Gli esordi
A soli sedici anni debutta sul grande schermo nella rivisitazione in chiave grottesca di Peter Greenaway de La Tempesta shakespeariana. Un film che racconta dell'esilio di Prospero su un'isola deserta con la sola compagnia di ventiquattro libri. Essi raccolgono tutto il sapere umano e servono come metafora al regista per costruire il suo film che invece di essere composto di inquadrature è diviso in quadri. Nel 1995 sarà il passionale Frederic al fianco di Leonardo DiCaprio nel dramma Poeti dall'inferno. Forte ormai di una carriera in ascesa, l'anno successivo è nel cast de Il Pianeta Verde, una favola ecologica scritta e diretta da Coline Serreau.

Diviso tra il cinema e il teatro
Parallelamente alla carriera cinematografica, nel 1998 Thierree fonda la sua compagnia teatrale La Compagnie du Hanneton, con cui dirige la sua prima opera La Symphonie du Hanneton, uno spettacolo eclettico, in cui le sue origini prendono corpo nell'intervallarsi del teatro di prosa con acrobazie, contorsioni, danza, musica lrica e giocoleria. Uno spettacolo in continua trasformazione, dove il sapore circense si fonde con la poetica della drammaturgia, che racconta simbolicamente la vita di un uomo attraverso i suoi incubi notturni, i suoi sogni surreali, gli incontri, le paure, le sfide; a volte in modo grottesco, buffo, a volte in modo romantico, per esempio volando leggero sopra un lampadario. Lo spettacolo ha raccolto per diversi anni il plauso di critica e pubblico, e gli è valso quattro premi Molière tra cui quello per la miglior regia teatrale. Nel 2000 lo ritroviamo sul grande schermo nel dramma storico di Roland Joffé, Vatel, dove si è confrontato con grandissimi attori del calibro di Gérard Depardieu, Uma Thurman e Tim Roth.
Voluto poi da Luciano Emmer nel cast di Una lunga, lunga, lunga notte d'amore, nel 2005 è un giovane padre che riesce a stabilire un rapporto affettivo con un bonobo in Carmen di Jean-Pierre Limosin.

La consacrazione
Consacrato infine dalla commedia del 2007 di Antoine de Caunes, Désaccord Parfait, con la quale si aggiudica la nomination al premio César per la miglior interpretazione maschile. Grazie alla sua performance acquisisce nuova credibilità che lo porta nel cast del thriller Ce que mes yeux ont vu di Laurent De Bartillat e nel dramma storico di Tony Gatlif Liberté. Dopo aver vestito i panni di un autobiografico clown in Voyez Comme Ils Dansent di Claude Miller, sarà il sensuale compagno di Sara Forestier in Mes séances de lutte di Jacques Doillon (2013). Recentemente l'attore si è unito a Omar Sy nel biopic dedicato al primo artista di colore della scena francese durante il periodo della Belle Epoque, Mister Chocolat diretto da Roschdy Zem.