Джеймс Торнхилл родился в семье Уолтера Торнхилла и Мэри, старшей дочери полковника Уильяма Сиденхэма. В 1689 году он был учеником Томаса Хаймора (1660–1720). Он также многому научился у Антонио Веррио и Луи Лагерра, двух выдающихся зарубежных художников, которые тогда работали в Англии. Он закончил своё обучение в 1696 году.
Он стал первым английским художником, получившим дворянство[2]. Его можно назвать зачинателем английской исторической живописи. Расписал техникой гризайль купол собора Св. Павла (1716—1719), был автором иллюстраций, использованных в атласе звёздного неба Atlas Coelestis[3].
Дочь Торнхилла — Джейн — вышла замуж за художника Уильяма Хогарта (1729).
Власов В. Г. Торнхилл Джеймс, сэр // Стили в искусстве : Архитектура, графика. Декоративно-прикладное искусство. Живопись, скульптура : словарь : в 3 т. / В. Г. Власов. — СПб. : Кольна, 1997. — Т. 3 : Словарь имён : М—Я. — С. 385. — 655 с., [8] л. ил. : ил. — ISBN 5-88737-010-6. — OCLC605179863.
Bénézit E.Thornhill (sir James) // Dictionnaire critique et documentaire des peintres, sculpteurs, dessinateurs et graveurs de tous les temps et de tous les pays, par un groupe d'écrivains spécialistes français et étrangers : [фр.] : en 10 vol. / entièrement refondue, revue et corrigée sous la direction des héritiers de E. Bénézit. — Nouvelle edition. — Paris : Gründ, 1976. — T. 10 : Styrsky – Zyw. — P. 166. — 962 p. — ISBN 2-7000-0158-3. — OCLC1148803150.