Originario della regione dell'Angus, fu educato prima all'Accademia di Dumfries (Dumfries Academy), quindi all'Università di Edimburgo (Edinburgh University). Iniziò la carriera di giornalista a Nottingham; quindi si trasferì a Londra, dove intraprese la carriera di scrittore. I suoi primi due romanzi furono pubblicati a Kirriemuir con lo pseudonimo di Thrums. Scrisse quindi una serie di testi teatrali, tra cui si ricordano Quality Street, What Every Woman Knows e The Admirable Crichton.

La creazione del personaggio di Peter Pan ebbe un'articolazione abbastanza complessa. In effetti, quello che è stato definito il principe dei folletti comparve per la prima volta nel 1902 nella novella - sempre di Barrie - L'uccellino bianco (nell'originale in lingua inglese The Little White Bird, o Adventures in Kensington Gardens) che vedeva come protagonista della vicenda narrata un bambino immaginario attorniato da un nugolo di fantastici amici volanti, personaggi della fantasia, mostri, indiani e paurosi animali.

Il personaggio venne ispirato a Barrie da un gruppo di ragazzini conosciuti durante le passeggiate assieme al proprio cane San Bernardo attraverso i viali dei giardini londinesi di Kensington. L'amicizia - spesso discussa e talvolta al centro di acri malignità, con accuse neppure troppo velate di pederastia - con i cinque figli della vedova Llewellyn-Davies (uno dei quali si chiamava, appunto, Peter come il futuro protagonista di tante avventure), sarebbe risultata fondamentale. Il legame tra lo scrittore, che era peraltro già sposato, con la famiglia, divenne poi talmente saldo che, alla morte di lei, lo scrittore si sarebbe fatto carico dei cinque ragazzini.

Il debutto sulle scene teatrali di Peter Pan - considerato anche la data ufficiale della nascita del mito di Peter Pan - avvenne due anni dopo, nel 1904, mentre il romanzo, dal titolo Peter e Wendy, fu pubblicato nel 1911 sulla base della traccia de Peter Pan in Kensington Gardens, data precedentemente alle stampe nel 1906.Barrie morì nel 1937 e il suo corpo è stato sepolto a Kirriemuir, vicino ai genitori, alla sorella e al fratello David.

La sua vita, e in particolare le vicende che lo hanno portato alla frequentazione della famiglia Llewellyn-Davies e a scrivere il suo capolavoro Peter Pan, sono state portate sullo schermo cinematografico nel film di Marc Forster del 2004 Neverland - Un sogno per la vita, con Johnny Depp nel ruolo dello scrittore.