W metafizyce James uważał, że składniki rzeczywistości są współzależne od sąsiadujących składników (ten pogląd nazwał synechizmem), ale niezależne od całości (ten pogląd określał jako tychizm). Z tego wynikało, że mogą powstawać rzeczy nowe, a w świecie istnieje wolność.
James wniósł liczący się wkład do psychologii, był zwolennikiem funkcjonalizmu i prekursorem zarówno behawioryzmu, jak i psychologii humanistycznej, autorem dogłębnych analiz i samoobserwacji „strumienia świadomości” oraz słynnego pytania „Czy świadomość istnieje?” (1905). Wniósł do psychologii wiele interesujących idei: podał charakterystykę świadomości za pomocą pięciu cech i jest twórcą tzw. fizjologicznej teorii uczuć (teoria Jamesa-Langego). Był także założycielem (w 1875 roku) pierwszego psychologicznego laboratorium eksperymentalnego (przed Wundtem).
Jako pierwszy wprowadził pojęcie jaźni jako zdolności do postrzegania samych siebie jako obiektów.