Aldrin i Lovell na pokładzieUSS „Wasp” po zakończonej misji Gemini 12Załoga Apollo 8 – od lewej: William Anders, James Lovell i Frank BormanPierwotny skład załogi Apollo 13 – od lewej: James Lovell, Thomas Mattingly i Fred HaiseZałoga Apollo 13 – od lewej: James Lovell, Jack Swigert i Fred Haise
Lovell służył jako pilot wMarynarce Wojennej Stanów Zjednoczonych. Później trafił do szkoły Pilotów Doświadczalnych Marynarki Wojennej (Naval Air Test Center) wPatuxent River w stanieMaryland, gdzie w latach 1958–1962 był pilotem doświadczalnym odpowiadającym za program F4H Phantom.
W 1971 został absolwentem Harvard Business School, a później służył jako pilot-instruktor i inżynier bezpieczeństwa w 101. Eskadrze Myśliwskiej (Fighter Squadron 101) w bazie lotniczej Oceana wWirginii.
W 1959 próbował zostać członkiem pierwszej grupy amerykańskich astronautówNASA (NASA-1), zwanej „Mercury Seven”. Po selekcji ponad 500 pilotów, którzy odpowiedzieli na propozycję NASA Lovell został jednym z 32 finalistów. Ostatecznie jednak nie został wówczas wybrany. W 1962 miał więcej szczęścia – ponowił swoje zgłoszenie i 17 września znalazł się wśród dziewięciu pilotów, których wybrano do drugiej grupy astronautów amerykańskich (NASA-2(inne języki)).
W czerwcu 1965 w ramach misjiGemini 4 był dublerem pilota, którym byłEdward White. White podczas lotu opuścił kabinę statku kosmicznego i jako pierwszy Amerykanin odbył pierwszy spacer w otwartej przestrzeni kosmicznej.
1 lipca 1965 Lovell został wyznaczony do składu podstawowej załogi statkuGemini 7. Dowódcą misji byłFrank Borman, a Lovell – pilotem. Lot zaplanowano na 14 dni. Astronauci, którzy wystartowali 4 grudnia 1965, mieli za zadanie – poza prowadzeniem eksperymentów naukowych – ustanowić również rekord długotrwałości przebywania człowieka w kosmosie. Podczas misji – 15 grudnia 1965 – w stronę Gemini 7 wyruszył kolejny statek załogowy –Gemini 6A pilotowany przezWaltera Schirrę iThomasa Stafforda. Oba pojazdy na ponad 5 godzin zbliżyły się do siebie, przy czym minimalna odległość pomiędzy nimi wyniosła 30 cm. Gemini 6A powrócił na Ziemię, a Borman i Lovell kontynuowali swoją wyprawę aż do 18 grudnia. Wodowali naOceanie Atlantyckim po blisko 14 dobowym locie. Ich rekord przetrwał do 1970. Pobili goAndrijan Nikołajew iWitalij Siewastjanow na statkuSojuz 9.
W styczniu 1966 Lovell został dublerem dowódcy misjiGemini 10.
Po tragicznej katastrofie lotniczej w lutym 1966, w której zginęliElliott See iCharles Bassett – podstawowa załoga statkuGemini 9, ekipy astronautów do kolejnych lotów w ramach tego programu zostały pozamieniane. Lovell wraz zEdwinem Aldrinem zostali załogą rezerwową do lotu Gemini 9A. W marcu i czerwcu 1966 astronauta utrzymywał w Centrum Kontroli Lotów wHouston łączność radiową (tzw. Capcom) z załogamiGemini 8 i Gemini 9A.
Wkrótce po wylądowaniu tego ostatniego statku Lovell otrzymał nominację do swojego drugiego lotu w kosmos. Został dowódcą misjiGemini 12 planowanej na listopad 1966. Pilotem misji został Edwin Aldrin. Start statku kosmicznego nastąpił 11 listopada 1966. Lovell w ten sposób znalazł się po raz drugi w kosmosie zanim upłynął rok od jego poprzedniej wyprawy. Zgodnie z planem lotu Gemini 12 połączył się z górnym stopniem rakiety nośnejAgena (obiekt GATV-12). Awaria pompy paliwowej GATV-12 nie pozwoliła jednak na przeprowadzenie planowanego podniesienia wysokości orbity obu obiektów. 13 listopada Aldrin przeprowadził blisko 2,5 godzinny spacer, podczas którego wykonał szereg prac na powierzchni GATV-12. Wykorzystał przy tym doświadczenia astronautów pracujących poza kabiną podczas poprzednich misji. Dzięki temu udało się Aldrinowi, w przeciwieństwie do swoich poprzedników, wykonać wszystkie zaplanowane prace i ukończyć kosmiczny spacer w dobrej kondycji. 15 listopada astronauci wodowali na Oceanie Atlantyckim. Była to ostatnia misja w ramach programu Gemini.
W 1967 został wyznaczony do załogi rezerwowej misji, która miała być trzecim, załogowym lotem programu Apollo. Podczas przygotowań do tej misji w okresie 5 – 7 kwietnia 1968 Lovell,Stuart Roosa iCharles Duke odbyli symulację awaryjnego wodowania i przez 2 dni dryfowali w kapsule Apollo na wodachZatoki Meksykańskiej.
W lipcu 1968 uMichaela Collinsa wystąpiły problemy zdrowotne, które spowodowały, że w jego miejsce do załogi podstawowej przesunięty został Lovell. Z uwagi na to, że opóźniały się prace nad lądownikiem księżycowym, zmieniono kolejność pierwotnie planowanych lotów oraz ich załogi. Misję Lovella przesunięto na początek, oznaczono jakoApollo 8 oraz określono jej nowy cel – lot na orbitę wokółksiężycową. Decyzja o jej realizacji była uzależniona od wyników lotuApollo 7, który w rezultacie zakończył się pełnym sukcesem.
Lot statku Apollo 8 odbył się w dniach 21 – 27 grudnia 1968. Podczas startu po raz pierwszy w lotach załogowych użyto rakiety nośnejSaturn V, po raz pierwszy też skierowano pojazd kosmiczny z ludźmi na pokładzie w kierunkuKsiężyca. Misją dowodził Frank Borman, a poza Lovellem znalazł się w niej równieżWilliam Anders. Apollo 8 znalazł się na orbicie okołoksiężycowej 24 grudnia 1968. Pozostał tam przez ponad 20 godzin, wykonując w sumie 10 okrążeń. Astronauci przeprowadzili transmisję telewizyjną, podczas której odczytano fragmenty Biblii oraz fotografowali powierzchnię Srebrnego Globu. 27 grudnia 1968 po 6-dniowej misji wodowali pomyślnie naOceanie Spokojnym.
Wkrótce potem Lovell otrzymał nominację na dowódcę rezerwowej załogi misjiApollo 11. GdybyNeil Armstrong w czasie przygotowań uległ wypadkowi, Lovell byłby pierwszym człowiekiem, który postawiłby stopę na Księżycu. W czasie lotu Apollo 11, jako jeden z kilku CapCom (osoba odpowiedzialna za komunikację ze statkiem kosmicznym), Lovell utrzymywał w Centrum Kontroli Lotów w Houston łączność radiową z astronautami.
Później został wyznaczony dowódcą planowanej misjiApollo 14. Dowódcą lotuApollo 13 miał być – przywrócony po chorobie do zespołu astronautów –Alan Shepard. Po rozpoczęciu przygotowań okazało się jednak, że potrzebuje on więcej czasu na przygotowanie się do lotu niż sądzono początkowo. Wobec tego 6 sierpnia 1969 podjęto decyzję, że załoga Lovella poleci w misji Apollo 13, a Sheparda w misji Apollo 14. Lovell miał zostać piątym człowiekiem, który będzie chodził po powierzchni Księżyca.
Apollo 13 wystartował 11 kwietnia 1970. W skład załogi wchodzili ponadto: pilotmodułu dowodzenia „Odyssey” –Jack Swigert, który na trzy dni przed startem zastąpiłThomasa Mattingly'ego (podejrzewano, że podczas lotu może zachorować na różyczkę) oraz pilotmodułu księżycowego „Aquarius” –Fred Haise. Lovell i Haise mieli wylądować w okolicy krateru Fra Mauro.
13 kwietnia 1970 w drodze do Księżyca (328 000 km od Ziemi) wmodule serwisowym Apolla 13 eksplodował zbiornik z tlenem. To wówczas w Houston usłyszano pamiętne „Ok. Houston, we've had a problem” („OK. Houston, mieliśmy problem”, zmienione później w filmie Apollo 13 na „OK. Houston, we have a problem”. W rzeczywistości zdanie to zostało najpierw wypowiedziane przez Swigerta, a potem powtórzone przez Lovell'a, kiedy Lovell raportował problem z systemem elektrycznym: „Houston, we've had a problem. We've had a main B bus undervolt”[1] („Houston, mieliśmy problem. Wszynie prądowej B jest za niski woltaż.”). O lądowaniu na Księżycu już nie mogło być mowy. Najważniejszym problemem stało się bezpieczne sprowadzenie załogi na Ziemię. Wykorzystując moduł księżycowy „Aquarius” i jego zapasy powietrza oraz akumulatory, astronauci oblecieli Księżyc i skierowali swój statek w kierunku Ziemi. 17 kwietnia pomyślnie wodowali na Oceanie Spokojnym. Była to prawdopodobnie najtrudniejsza misja w historii lotów załogowych zarówno dla załogi jak i dla Centrum Kontroli Lotów.
Do dziś załoga dzierży rekord największej odległości od Ziemi na jaką oddalili się w swoim statku astronauci: 400 171 km. Lovell natomiast ze swoim łącznym czasem przebywania w kosmosie wynoszącym ponad 715 godzin był rekordzistą w tej kategorii aż do 1973, kiedy jego wynik poprawiła załoga misjiSkylab 2.
Lovell został jednym z trzech astronautów, którzy dwukrotnie polecieli w stronę Księżyca. Jednak w przeciwieństwie doJohna Younga iEugene’a Cernana nigdy po nim nie chodził.
Po odejściu w 1973 z NASA i Marynarki Wojennej, pracował w Bay-Houston Towing Company w Houston. W marcu 1975 został prezesem i głównym dyrektorem wykonawczym tej firmy.
W latach 1977–1981 był prezesem firmy Fisk Telephone Systems w Houston, wykonującej sprzęt dla łączności biznesowej.
W latach 1981–1991 pracował w Centel Corporation w charakterze wiceprezesa.
Obecnie jest prezesem założonej przez siebie firmy Lovell Communications, której jednym z zadań jest propagowanie informacji o programie kosmicznym Stanów Zjednoczonych.
W 1994 James Lovell oraz Jeffrey Kluger napisali książkę o misji Apollo 13 –Apollo 13: Lost Moon. Na jej podstawie reżyserRon Howard nakręcił filmApollo 13. W roli głównej wystąpiłTom Hanks. Sam astronauta pojawił się w końcowej sekwencji filmu jako dowódca lotniskowca USS „Iwo Jima”.
W swojej karierze lotniczej, do momentu zaliczenia do grupy astronautów, Lovell wylatał ok. 5000 godzin, z czego 3500 na samolotach odrzutowych.
James Lovell jest członkiem Międzynarodowego Towarzystwa Pilotów Doświadczalnych i należy do prestiżowego grona „Złotych Orłów”.
W kinowym filmieApollo 13 z 1995 w jego postać wcielił sięTom Hanks[2].