לאחר מכן הוא הופיע בקומדיית הנעורים "כל מה שצריך" (2000), בה הופיע לצד שיין ווסט. ב-2001 התארח בפרק בסדרה "תיקים באפלה" וגילם את ג'יימס דין בסרט טלוויזיה של מרק ריידל, הנושא את אותו השם. תפקיד זה, שזיכה אותו בפרס גלובוס הזהב ובמועמדות לפרס אמי, הוביל להצלחה גדולה, שבעקבותיה השתתף ב-2002 בסרטו המשמעותי מכולם - "ספיידרמן". פרנקו נבחן תחילה לתפקיד הראשי של פיטר פארקר אך טובי מגוויר זכה בתפקיד, ופרנקו הסתפק בתפקיד המשני של הארי אוסבורן, העתיד להיות הגובלין הירוק. הסרט זכה לרווחים של 403 מיליון דולר בארצות הברית לבדה, דבר שביסס את מעמדו של פרנקו כשחקן.
לאחר מכן השתתף בסרטים רבים והופיע לצד רוברט דה נירו ב"עיר ליד הים", לצד נב קמפבל ב"רקדנים" ולצד ניקולס קייג' ב"איש הקש". ב־2005 שיחק בתפקיד הראשי בקומדיות "זהב של טפשים" וה"הקוף", אותם גם ביים וכתב. בנוסף שיחק בסרט "שחרור בעורף האויב" את דמותו של קפטן רוברט פרינס. ב-2006, כיכב בסרטים "טריסטן ואיזולדה" "אנאפוליס" ו"פרחי טייס" ושיחק בסרט "איש הקש" לצידו של ניקולס קייג'.
בשנת 2007 הוא שיחק בסרטים: "בעמק האלה", "פשע באמריקה" ו"זמן טוב מקס". ב-2008, הופיע בסרטים: "קאמיל", "פיינאפל אקספרס", "לילות ברודנטה" ו"מילק".
בשנת 2010 גילם את דמותו של ארון רלסטון בסרט הדרמה "127 שעות" שביים דני בויל, הסרט מבוסס על סיפור הישרדותו של מטפס הרים אמריקאי, אשר במהלך טיולו בקניון בלו-ג'ון ביוטה, נתפסה ידו הימנית בסלע ועקב כך נאלץ לשהות במשך 5 ימים ולקטוע אותה בכוחות עצמו. פרנקו היה מועמד לפרס באפט"א, פרס גלובוס הזהב ופרס אוסקר לשחקן הראשי הטוב ביותר וזכה בפרס פרס אינדפנדנט ספיריט על משחקו. בנוסף באותה שנה הופיע בסרטים: "לאכול, להתפלל, לאהוב", "אהבה וחוסר אמון", "יללה" ו"דייט לילי".
בשנת 2011 הוא כיכב בסרט "" בתפקיד ד"ר וויל רודמן, והופיע בסרטים "הצרעה הירוקה" ו"הוד מעלתך". בנוסף, הוא הנחה את טקס פרסי האוסקר יחד עם השחקנית אן האת'וויי. באותה שנה ביים, הפיק וכתב את סרטו "המגדל השבור" שבו שיחק גם בתפקיד הראשי.
בשנת 2012, שיחק בסרטים: "אודות שרי", "אייסמן", "ספרינג ברייקרס" לצד סלינה גומז, ו"להתמודד עם הנפש".
פרנקו הנחה ארבע פעמים את תוכנית המערכונים "סאטרדיי נייט לייב" בשנים 2008, 2009, 2014 ו-2017. הפרקים בהם השתתף והופעתו בתוכנית זכו לשבחי הביקורות.
בשנת 2013, שיחק וביים פרנקו את הסרט "ילד של אלוהים" וכיכב בסרט "ארץ אוז" לצד מילה קוניס. בנוסף הופיע בסרטים: "סוף.", "לאבלייס", "פאלו אלטו", "בשוכבי גוועת", "גוף שלישי" ו"בחזית" בכיכובו של ג'ייסון סטיית'האם. הוא גם התארח בשני פרקים בסדרה "מינדי" בדמותו של ד"ר פול ליאוטרד. במרץ אותה שנה קיבל פרנקו כוכב בשדרת הכוכבים.
בשנת 2014 השתתף בסרט "ראיון סוף" שנודע, עוד בטרם הוקרן, עקב מתקפת ההאקרים על סרטי סוני, שכללה בין היתר איומי טרור. בנוסף שיחק בסרטים: "" בתפקיד קמאו ו"אנשים טובים". באותה שנה ביים את סרט הדרמה "הקול והזעם" בו גם שיחק בתפקיד הראשי, שמבוסס על הספר באותו שם מאת ויליאם פוקנר שיצא ב-1929.
בשנת 2015, הוא דיבב את דמותו של פוקס בסרט האנימציה "הנסיך הקטן".
ב-2016 שיחק בסרט "קינג קוברה", שם גילם את ג'ו, יוצר סרטי סרטי פורנו לצד גארט קלייטון, כריסטיאן סלייטר וקיגן אלן. ושיחק בסרטים: "למה דווקא הוא?" לצד זואי דויטש, ו"מלכת המדבר" לצד ניקול קידמן.
בשנת 2017 שיחק בסרט המדע הבדיוני "" שביים רידלי סקוט בו גילם את ברנסון, הקפטן לשעבר של ספינת החלל. בנוסף, שיחק בדרמה הביוגרפית "אני מיכאל" לצד זאכרי קווינטו ואמה רוברטס.
בשנת 2017 ביים, הפיק ואף שיחק בתפקיד ראשי בסרט "חי בסרט" לצד קאסט רחב ומוכר כגון: דייב פרנקו, אליסון ברי, ג'קי ויבר, שרון סטון, מלאני גריפית' וסת' רוגן. הסרט הוא דרמה קומית ביוגרפית אשר מבוסס על ספר באותו שם מאת גרג ססטרו, הסרט זכה לשבחי הביקורות בעיקר על משחקו של פרנקו, על תפקידו בסרט זה פרנקו זכה בפרסים רבים כולל פרס גלובוס הזהב בקטגוריית השחקן הטוב ביותר - סרט קומדיה או מוזיקלי.
בשנת 2018 שיחק בסרט "קשר קטלני". בשנה זו, ביים גם את הסרט העתידני "עולם המחר", אותו גם הפיק וכיכב לצדם של סוקי ווטרהאוס, מילה יובוביץ', סנופ דוג ולוסי לו.
בשנת 2019 ביים ואף כיכב בסרט הדרמה-קומי "זירוויל", שמבוסס על ספר שיצא לאור ב-2007. הסרט גרר ביקורות מעורבות, ברובן שליליות.
חיים אישיים.
פרנקו יצא בעבר עם השחקניות אמיליה קלארק, מרלה סוקולוף, אשלי בנסון, סיינה מילר, ואוהנה אוריילי.
בשנת 2014 השחקנית לינדזי לוהן פרסמה בראיון רשימה של 36 המפורסמים שאיתם קיימה יחסי מין ופרנקו הוזכר ברשימה. (בסרט "סוף." משנת 2013 באחת מהסצנות ג'יימס פרנקו אמר כי קיים יחסי מין עם לינדזי לוהן, זה נראה כבדיחה אך לאחר פרסום הרשימה זה התגלה כאמת). בשנת 2004 פרנקו נבחר לאחד מ-50 "הרווקים החמים" על ידי מגזין פיפל.
פרנקו הוא חבר טוב של השחקן והתסריטאי היהודי-קנדי סת' רוגן והם מרבים לשתף פעולה בסרטיהם. פרנקו שיחק בכל הסרטים שרוגן ביים וברוב הסרטים שרוגן כתב. בנוסף, הוא חבר טוב של טובי מגווייר ונהג לעשות בייביסיטר לאחותו של מגווייר על סט הצילומים של הסרט "ספיידרמן 3".
בשביל להבין את הדמות שגילם בסרט "פרחי טיס" עבר פרנקו קורס טיס והוא מחזיק ברישיון טייס.
בראיון טען פרנקו שאינו מרוצה מכך שבילדותו לא עבר טקסים יהודיים ולא חווה יותר מהמסורת היהודית. באוקטובר 2015 חגג טקס בר מצווה מאוחר שיזם חברו השחקן סת' רוגן, שכל הכנסותיו נתרמו לצדקה.
האשמות ותביעות בגין עבירות מין.
ב-2014, נערה בת 17 פרסמה צילומי מסך שמציגים כביכול התכתבות בינה לבין פרנקו באינסטגרם. ההודעות הראו כי פרנקו, שהיה אז בן 35, ניסה להיפגש איתה בחדר מלון לאחר שזו אמרה לו שהיא בת 17. הוא שלח לה מספר תמונות של עצמו כדי להוכיח את זהותו האמיתית. פרנקו הודה בתוכנית הטלוויזיה "Live with Kelly and Ryan" כי כתב את ההודעות האלו. למרות שמעשיו היו חוקיים מאחר שגיל ההסכמה המינימלי בני יורק הוא 17, הוא היה מושא לביקורת רבה במדיה כתוצאה מהפרש הגילאים הגדול. הוא הגיב תחילה לשערורייה בציוץ, "אני מקווה שהורים יוודאו כי ילדיהם שומרים ממני מרחק. תודה." הוא מאוחר יותר אמר כי היה "נבוך" וכי "למד את השיעור שלו".
בטקס פרסי גלובוס הזהב של 2018, פרנקו ענד סיכה של תנועת Time's Up כאות הזדהות עם תנועת ה-Me Too, על מנת למחות על הטרדות מיניות כנגד נשים. הסיכה שענד גררה ביקורת ברשתות החברתיות מהשחקנית אלי שידי, שרמזה כי הפסיקה לעבוד כשחקנית לאחר שעבדה עם פרנקו על מחזה. חברה של פרנקו לשעבר, ויולט פיילי, טענה גם היא כי פעם הכריח אותה לקיים איתו יחסי מין אוראליים במכונית כאשר יצאו ביחד. ב-9 בינואר 2018, תוך ציון הטענות, הניו יורק טיימס ביטלו אירוע מתוכנן עם פרנקו. ב-10 בינואר, טען פרנקו בתוכנית הטלוויזיה "The Late Show with Stephen Colbert" כי ההאשמות שהועלו כנגדו בטוויטר "לא מדויקות".
ב-11 בינואר 2018, עיתון הלוס אנג'לס טיימס דיווח כי חמש נשים האשימו את פרנקו בהתנהגות מינית לא הולמת ונצלנית בזמן שפרנקו היה המנטור או המורה שלהן למשחק. תלמידה אחת שלו לשעבר אמרה כי פרנקו "תמיד גרם לכולן להאמין כי היו תפקידים אפשריים על השולחן אם היו מבצעות מעשים מיניים או מורידות את החולצה" בפרויקטים שלו. תלמידה נוספת טענה שפרנקו ערך סצינות מין בכיתה והוריד את מגני איבר המין של תלמידות בזמן שדימה יחסי מין אוראליים איתן. עורך הדין של פרנקו, מיל פלונסקר, הכחיש את הטענות של הנשים.
בספר הזכרונות של ביזי פיליפס מ-2018, היא מפרסמת סיפור בו פרנקו צורח עליה לפני שהוא דוחף אותה באלימות לרצפה כשהיו על הסט של זרוקים ויורמים.
ב-3 באוקטובר 2019, שתי תלמידות לשעבר בבית הספר של פרנקו לצילום סרטים ולמשחק, סטודיו 4, שמאוחר יותר נסגר, הגישו כנגדו וכנגד שותפיו תביעה משפטית. על פי עיתון הניו יורק טיימס, בתלונה נטען כי בית הספר "היה בסך הכל מזימה שמטרתה לספק לו ולשותפיו מאגר של שחקניות צעירות שאותן הם יוכלו לנצל". בתביעה נטען כי תלמידות השתתפו ב"אודישנים וצילומי סרטים שבמסגרתם נוצלו מינית" ושנאלצו לחתום על חוזה שמבטל את זכויותיהן על ההקלטות. התובעות ביקשו פיצויים כספיים לא מוגדרים וכן החזרה או השמדה של חומר מפוקפק. פרנקו הכחיש את טענות התובעות באמצעות עורך דינו.
ב- 21 בפברואר 2021, דווח כי התביעה הוסדרה וכי על פי מסמכים שהוגשו ב-11 בפברואר, שתי התלמידות הסכימו לדחות את טענותיהן האישיות. העסקה הוגשה לאישור בית המשפט המוקדם עד 15 במרץ 2021. ביוני 2021, פורסמו תנאי ההסדר, ונחשף כי פרנקו, עד לאישור שופט, ישלם יותר מ -2.2 מיליון דולר לפתרון שתי מחלוקות משפטיות שונות: אחת של שתי הנשים שהתלוננו על ניצול מיני (הן ,תקבלנה 894 אלף דולר), ועוד תובענה ייצוגית על ידי כ-1,500 תלמידי סטודיו 4 הטוענים כי הם הונאו. בהצהרה משותפת של התובעים והנתבעים נכתב בחלקו: "בעוד הנתבעים ממשיכים להכחיש את הטענות בתלונה, הם מכירים בכך שהתובעים העלו סוגיות חשובות; וכל הצדדים מאמינים כי כעת הוא זמן קריטי להתמקד בטיפול בהתעללות בנשים בהוליווד".
פולק (פירושונים)
לאזים