В 1952 г. окончил Военно-морскую академию США и получил степень бакалавра наук.
В 1971 г. прошёл обучение в Гарвардской школе бизнеса по военной программе разработки перспективных средств управления.
С марта 1973 г. работал в компании, занимавшейся горными разработками, портовыми и прибрежными буксирными перевозками и изготовлением торфяных брикетов для промышленного садоводства и сельского хозяйства. В марте 1975 г. стал президентом и главным исполнительным директором этой компании.
С января 1977 по январь 1981 г. занимал пост президента телефонной компании в Хьюстоне, производящей оборудование для бизнес-коммуникаций, затем, по февраль 1991 г., работал в родственной корпорации сначала в должности вице-президента, курирующего группу отделений корпораций, занимающихся бизнес-коммуникациями, а затем исполнительным вице-президентом и членом совета директоров.
18 октября 2000 г. вошёл в совет директоров компании «Спейс медиа».
Основал собственную компанию «Ловелл комюникейшн» и является её президентом. Одна из задач компании — распространение информации о космических программах США.
В ВМС с 1952 г., служил в различных авиационных соединениях. В 1958 г. окончил Школу лётчиков-испытателей ВМС в Мэриленде. В течение четырёх лет работал лётчиком-испытателем в лётно-испытательном центре ВМС. Был руководителем программы F4H «Фантом», одним из главных лётчиков-испытателей этой машины.
С 1971 г. (после окончания Гарвардской школы бизнеса) служил пилотом-инструктором и инженером по технике безопасности в 101-й истребительной эскадрилье на авиастанции в Вирджинии. Ушёл в отставку из ВМС в марте 1973 г. в звании капитана I ранга.
В сентябре 1962 г. был зачислен в отряд астронавтов НАСА во время второго набора.
Первый полёт в космос Джеймс Ловелл совершил с 4 по 18 декабря 1965 г. в качестве пилота корабля «Джемини-7». Во время полёта было проведено сближение на расстояние 30 см с выведенным позже кораблём «Джемини-6». После 5-часового совместного полёта корабли вновь разошлись. Сам полёт являлся на тот момент рекордным по продолжительности: 13 суток 18 часов 35 минут 1 секунда.
В январе 1966 г. был назначен дублёром командира корабля «Джемини-10», и предполагалось, что он будет командиром корабля «Джемини-13» (тогда ещё не было известно, что последним станет полёт «Джемини-12»). Однако после гибели в авиакатастрофе в феврале 1966 г. основного экипажа корабля «Джемини-9» Эллиота Си и Чарльза Бассета экипаж Джеймса Ловелла стал дублирующим экипажем «Джемини-9» и, соответственно, основным экипажем «Джемини-12».