Fils d'une danseuse de Broadway, James Van Der Beek décide de devenir acteur à 13 ans. Il joue alors dans plusieurs petites pièces de théâtre de son lycée. Trois ans plus tard, il part pour New York avec sa mère pour passer des auditions. Il apparaît alors dans des pièces telles que "Finding the sun". En 1994, il obtient une bourse pour la Drew University dans le New Jersey. Un an plus tard, alors qu'il étudie l'anglais et la sociologie, il décroche son premier rôle au cinéma dans Angus suivi d'un second rôle dans I love you, I love you not aux côtés de Jeanne Moreau, Jude Law et Claire Danes.

En 1997, sa carrière décolle en décrochant le rôle-titre de la série pour adolescents Dawson's Creek, créée par le scénariste de Scream, Kevin Williamson. L'énorme succès de la série lui permet alors d'obtenir les rôles principaux de American boys et Texas rangers. En 2002, désirant se démarquer de son image de gentil garçon, il est un dealer de drogues pris au piège dans un triangle amoureux dans Les Lois de l'attraction de Roger Avary. Il enchaîne ensuite les petits rôles dans des films indépendants, qui sortent directement en DVD pour certains. Il joue un écrivain perturbé dans La Possession de Paul Twist, ou encore un scientifique chargé d'élucider d'étranges disparitions dans le film d'horreur "L'Oeil de la bête" (2007). Parallèlement, le comédien fait plusieurs apparitions dans des séries télé et trouve même un rôle récurrent dans Mercy.

L'année 2012 marque son grand retour médiatique sur le petit écran en interprétant une version caricaturale de lui-même, la star de la série Dawson's Creek, dans Don’t Trust the B in Apt. 23, une série diffusée sur ABC Comedy et annulée par la chaîne au milieu de la deuxième saison. A l’hiver 2011, il participe à la lecture en publique du film de John Hughes, The Breakfast Club (1985). L'acteur endosse le rôle d’Andy Clark, le sportif de la bande, joué à l'époque par Emilio Estevez. Un évènement présenté en direct et dirigé par Jason Reitman, dans le cadre d'un programme pour le Los Angeles County Museum of Art.

En 2014, le réalisateur canadien lui trouve une place dans son dernier long-métrage, Last Days of Summer. Il y interprète un policier en charge d’enquêter sur le cas d’une personne disparue.