James dipanggil bermain di timnas senior pertamanya pada pertandingan kualifikasi Piala Dunia FIFA 2018 melawan timnas Serbia pada tahun 2017 di bawah manajer Chris Coleman. Debut penuhnya dilakukan di bawah Ryan Giggs dalam pertandingan melawan timnas Albania pada November 2018. Ia bermain selama 58 menit pada pertandingan itu. Gol pertama di timnas senior Wales dicetak James pada pertandingan keduanya. Pada pertandingan melawan Slovakia dalam debut kompetitifnya di kandang itu, satu-satunya gol berhasil dijaringkannya di menit awal kick-off. Gol kemenangan satu-satunya dicetak James dalam pertandingan persahabatan melawan Belarusia pada jeda internasional di bulan September 2019. Pada Mei 2021 ia masuk ke skuat Wales untuk turnamen UEFA Euro 2020 yang tertunda akibat COVID-19.