Lovell naît le à Cleveland (Ohio). Il obtient un diplôme de bachelor of science de l'Académie Navale américaine en et est choisi dans le second groupe d'astronautes en . Il est désigne comme doublure de pilote pour Gemini 4, puis pilote pour Gemini 7.
Astronaute des missions Gemini 7 et Apollo 8.
Dans la nuit du le , Frank Borman
et Lovell entendent quelque
chose
apper le hublot de leur capsule Gemini 7, filant à 28000 km/h à
une distance variant entre 160 et 205 km du sol terrestre. A peine remis de leur frayeur, les jeunes astronautes
aperçoivent un étrange objet à proximité, entouré de particules fluorescentes. Borman témoignera avoir observé cet
"engin fantôme" volant en formation avec la capsule.
Il est ensuite doublure de pilote de commande pour Gemini 9, pilote de commande pour Gemini 12, et pilote de commande pour Apollo 8.
Le le , alors que Apollo 8 gravite en orbite autour
de la surface lunaire à une distance de 112 km, la capsule reste totalement muette durant en , et ce
malgré les appels répétés de la base de Houston. Puis on entend soudain la voix de James Lovell annoncer : Sachez
que le Père Noël existe bien !
Lovell venait de subir une violente surprise, comme l'indiquèrent les contrôles télémétriques. Son pouls avait atteint 120 pulsations/minute, tandis que durant les en précédentes, son rythme cardiaque avait été parfaitement normal. Coincidence troublante, ce silence, dont Apollo 8 venait de faire preuve inexplicablement, peut être expliqué par la présence d'un champ magnétique "extérieur" à la cabine, perturbant les liaisons radio avec le sol.
Il est ensuite doublure de commandant pour Apollo 11, et commandant pour Apollo 13. en il devient Directeur Adjoint de la Science et Applications au Johnson Space Center. Il quitte la NASA et la Navy en .