Né à Londres, Jim Sturgess fréquente pour la première fois le cinéma à l'âge de 13 ans, dans Les Leçons de la vie (1994) où il joue aux côtés d'Albert Finney, Matthew Modine et Michael Gambon. Il suit très vite des études d'Arts et de Communication à l'Université de Salford dont il sort diplômé en 1999, avec d’excellents résultats. En parallèle, le jeune homme s’adonne à la musique et joue dans plusieurs petits groupes qui finissent respectivement par se séparer.

Jim se tourne alors vers sa deuxième passion : la comédie, et enchaîne pendant plusieurs années de nombreux rôles dans des séries ou des téléfilms, parmi lesquels I'm Frank Morgan (2000) ou encore la trilogie de David Jason : The Quest (2002), The Second Quest (2004) et The Final Quest (id.).

Jim Sturgess finit par s'imposer au cinéma avec Across the Universe (2007), comédie musicale inspirée du répertoire des Beatles dans laquelle il tient le haut de l'affiche aux côtés de Evan Rachel Wood, ce qui lui permet de mettre à profit ses talents de musicien sur le grand écran. Sa carrière d’acteur à présent lancée, le comédien joue par la suite aux côtés des plus célèbres, et multiplie les registres.

Il donne ainsi la réplique à Scarlett Johansson et à Natalie Portman dans le film historique Deux soeurs pour un roi (2008) et espionne l’IRA dans le thriller Fifty Dead Men Walking. Il tient la même année le rôle vedette de Las Vegas 21, où il compte les cartes et ruine les casinos aux côtés de Kevin Spacey, avant de fréquenter Harrison Ford et Ray Liotta dans le drame Droit de passage.

Sa performance dans le sombre Heartless de Philip Ridley, dans lequel il incarne un jeune homme tourmenté qui vend son âme au diable, lui vaut le Prix du Meilleur Acteur au Festival du Film de Fantasporto en 2010. Il s’essaye ensuite pour la première fois au doublage pour le film d'animation 3D Le Royaume de Ga'Hoole - la légende des gardiens de Zack Snyder. Jim Sturgess reste parallèlement un musicien productif, qui a notamment interprété les chansons du film Heartless. En 2011, le Britannique s'évade d'un camp de travail sibérien en compagnie de Colin Farrell et Ed Harris dans Les Chemins de la liberté de Peter Weir.

La même année, Jim tombe amoureux de la belle Anne Hathaway dans Un jour, une romance de Lone Scherfig. Soucieux de varier les genres, le jeune homme est engagé en 2012 par les Wachowski et Tom Tykwer pour incarner pas moins de six rôles différents dans la fresque de science-fiction, Cloud Atlas : une performance remarquée. L'année suivante, le comédien reste dans le genre SF pour Upside Down de Juan Solanas. Il donne la réplique à Kirsten Dunst dans un monde où l'envers côtoie l'endroit.

Jim incarne ensuite le Docteur Edward Newgate dans le thriller psychologique Hysteria ; il y donne la réplique à Kate Beckinsale, Ben Kingsley et Michael Caine. On le retrouve ensutie en 2017 dans le film catastrophe Geostorm, mis en scène par Dean Devlin.