McAvoy wurde im Glasgower Stadtteil Scotstoun geboren. Als er sieben Jahre alt war, trennten sich seine Eltern, und er wuchs bei seinen Großeltern James und Mary Johnstone auf. Seine Schwester Joy blieb hingegen bei seiner Mutter, der Kontakt zu seinem Vater riss in den folgenden Jahren völlig ab. McAvoy besuchte die St. Thomas Aquinas School in Scotstoun und fasste frühzeitig den Entschluss, Schauspieler zu werden. 2000 machte er an der renommierten Royal Scottish Academy of Music and Drama seinen Abschluss und arbeitete danach eine Weile als Bäcker.

Am Theater sammelte McAvoy Erfahrungen in Stücken wie Romeo und Julia, Die Schöne und das Biest und West Side Story. Es folgten Auftritte in britischen Fernsehserien und Filmen sowie 2001 in der internationalen Produktion Band of Brothers. In der Science Fiction-Miniserie Children of Dune spielte er 2003 die Rolle des Prinzen Leto Atreides – und den Film-Sohn von Alec Newman, nachdem beide in dem britischen Komödiendrama Bright Young Things aus demselben Jahr Gleichaltrige dargestellt hatten. Die Rolle des Steve in der britischen Erfolgsserie Shameless (2004) steigerte weiter McAvoys Popularität. 2005 spielte er den Mr. Tumnus in der Literaturverfilmung Die Chroniken von Narnia: Der König von Narnia, dem ersten Teil der Narnia-Chroniken-Filmreihe.

2006 war er neben Forest Whitaker in dem Filmdrama Der letzte König von Schottland über den ugandischen Diktator Idi Amin als dessen Leibarzt zu sehen, was ihm unter anderem eine Nominierung für den Europäischen Filmpreis 2007 einbrachte. Seine bisher erfolgreichste Rolle spielte er 2007 in der Verfilmung des Romans Abbitte von Ian McEwan an der Seite von Keira Knightley unter der Regie von Joe Wright. Die Rolle des Robbie Turner brachte ihm unter anderem Nominierungen für den Golden Globe Award 2008 und den Europäischen Filmpreis 2008 ein. Im selben Jahr war er auch in der Filmbiografie über Jane Austen, Geliebte Jane, neben Anne Hathaway zu sehen. 2008 war er im Actionthriller Wanted an der Seite von Angelina Jolie und Morgan Freeman zu sehen. 2009 spielte er an der Seite von Christopher Plummer, Helen Mirren und Paul Giamatti den jungen Sekretär des Schriftstellers Leo Tolstoi in der deutsch-russischen Kinoproduktion Ein russischer Sommer.

Im Anschluss konnte McAvoy mit der Rolle einer jüngeren Version des ansonsten von Schauspiel-Veteran Patrick Stewart verkörperten Charles Xavier in der X-Men-Filmreihe einen Coup landen. Er spielte die Figur bis dato in drei Filmen der Reihe, zuletzt 2016 im dritten Teil der zweiten X-Men-Trilogie: X-Men: Apocalypse. Damit setzte McAvoy einerseits seine seit Wanted zu beobachtende Wahl von actionreicheren Stoffen fort, ebenso wie er, zum Beispiel bei seinen Rollen in Trance – Gefährliche Erinnerung oder Drecksau, zumeist ambivalentere Charaktere darstellte. In "Victor Frankenstein - Genie und Wahnsinn" von 2015 übernahm er außerdem die Rolle des titelgebenden Protagonisten an der Seite von Daniel Radcliffe, welcher seinen verkrüppelten Freund und Gehilfen Igor verkörperte. Andererseits wandte er sich als junger Vater der Vertonung von Animationsfilmen zu, er setzte außerdem seine Theaterarbeit in London fort.