Le père d'Harry James était chef d'orchestre dans un cirque itinérant. À l'âge de 10 ans, Harry commence à prendre des leçons quotidiennes de trompette de son père qui le force à étudier une page d'un manuel par jour.
En 1931, la famille s'installe à Beaumont dans le Texas et Harry commence à jouer avec des groupes locaux. Il rejoint le groupe de Ben Pollack en 1935 et le quitte en 1937 pour devenir membre de l'orchestre de
Benny Goodman avec lequel il restera jusqu'en 1938.
En février 1939, il lance son propre orchestre à Philadelphie avec lequel il ira en tournées jusque dans les années 1980. Son orchestre sera le premier employeur de
Frank Sinatra, en 1939. En 1943, il épouse l'actrice
Betty Grable. Plusieurs de ses titres se classent à la première place du hit-parade américain entre 1942 et 1945 : Sleepy Lagoon, I Had the Craziest Dream, I've Heard That Song Before, I'll Get By (As Long As I Have You), et It's Been a Long, Long Time.
En 1983, il apprend qu'il est victime d'un lymphome, mais continue à jouer jusqu'au 26 juin, date de son dernier concert à Los Angeles, neuf jours avant sa mort. Il inspira entre-autres
Chet Baker, son jeune compatriote trompettiste.
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