Джеймс родился 14 декабря 1730 года. Мальчик учился в престижной школе в Лондоне, преподаватели отмечали его склонность к естественным наукам. Он успешно сдал вступительные экзамены в Эдинбургский университет. Молодой человек выбрал юридический факультет, но после выпуска к этой профессии не возвращался. Вскоре после окончания университета Брюс женился.
Свадьбу сыграли в 1754-м, и в том же году молодая супруга скончалась от туберкулеза. Спустя три года Джеймс уехал в Андалусию, где изучал историю Испании времен мавров. Затем Брюс двинулся в Северную Европу. С этого момента путешествия стали неотъемлемой частью его жизни.
В 1762-м интерес Брюса к путешествиям приобретает «легальный» статус; он получает должность британского консула в Алжире. Джеймс добирался до Алжира почти год — его задержало исследование древних артефактов в Италии. Кроме того, шотландец изучал арабский язык.
В Алжире Брюс не проявлял большого интереса к консульским обязанностям — куда больше его занимали древние рукописи. Однако работа отнимала все время Джеймса, поэтому к изучению памятников старины он приступил только в 1765-м. Африканские «приключения» шотландца часто бывали рискованными — так, он пережил крушение корабля.
Путешествуя по Африке, Брюс вел записи, в которых описывал быт, искусство, природу. Современники критиковали работу шотландца, однако, как выяснилось позже, его наблюдения были достаточно точными. Особое внимание в своих записях путешественник уделял архитектуре. Он собрал коллекцию древних манускриптов, которую забрал с собой домой.
Побывал Джеймс в Пальмире и на территории современного Судана. Он отмечал, что за время жизни в Африке стал прекрасным наездником. В некоторых городах мужчина выдавал себя за эскулапа, благо, он обладал небольшими познаниями в медицине, и обман не был раскрыт. Свои впечатления об Эфиопии он разместил в пяти томах. Брюс изучил правила этикета и производил на местных жителей благоприятное впечатление. Ему покровительствовал, в том числе, египетский правитель Али-бей. Он провозгласил независимость страны от Османской империи в 1770-м году.
В Эфиопии Брюс организовал экспедицию, чтобы найти истоки Нила. Эта идея не оставляла его на всем протяжении жизни в Африке. В 1770-м цель была достигнута — Джеймс в компании грека Стратеса достиг озера Тана, где брал начало Голубой Нил (правый приток Нила).
Шотландец считал себя первооткрывателем, однако он не был первым европейцем, достигшим истока Голубого Нила. В 1774-м Брюс вернулся в Лондон и вновь женился. Часть научного сообщества скептично отнеслась к его работам. Он скончался в возрасте 64 лет.