他先就讀于其父擔(dān)任校長的拉斐特學(xué)院，1880 年畢業(yè)后赴歐洲，先到德國哥廷根大學(xué)，后轉(zhuǎn)入萊比錫大學(xué)，成為心理學(xué)之父 W.馮特的學(xué)生。

1882 年回國進(jìn)入約翰霍·普金斯大學(xué)，在那里獲得研究員職位從事哲學(xué)研究工作。這時(shí)，G.霍爾正好開始他的心理學(xué)講座，卡特爾聆聽了這門課程，開始研究心理活動(dòng)。

1883 年再回馮特實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任馮特的助教，進(jìn)行反應(yīng)時(shí)間及個(gè)別差異問題的研究，1886 年在馮特的反對下完成題為《反應(yīng)時(shí)的個(gè)別差異》的博士論文，獲萊比錫大學(xué)心理學(xué)哲學(xué)博士學(xué)位。

獲博士學(xué)位后，他曾赴英國劍橋大學(xué)任教，與 F.高爾頓（C.達(dá)爾文的表兄弟）相遇，共同探討個(gè)別差異的研究。1888 年回國，任賓夕法尼亞大學(xué)心理學(xué)教授，這是世界上第一個(gè)心理學(xué)系的專職教授職位。期間他以各種心理測驗(yàn)來研究個(gè)別差異。他在自己的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)編制測驗(yàn)五十個(gè)，包括測量肌肉力量、運(yùn)動(dòng)速度、痛感受性、視聽敏度，重量辨別力、反應(yīng)時(shí)、記憶力以及類似的一些項(xiàng)目。他于 1890 年在《心靈》雜志上發(fā)表的《心理測驗(yàn)與測量》一文，描述了這些測驗(yàn)。這篇論文首創(chuàng)了“心理測驗(yàn)”（mental test）這個(gè)術(shù)語，還由高爾頓加上了一篇附錄表示支持。他所謂心理測驗(yàn)的含義很廣，不單指智力測驗(yàn)，而是包括對人的一切能力的測驗(yàn)。

在該文中，卡特爾說：“心理學(xué)若不立足于實(shí)驗(yàn)與測量上，決不能夠有自然科學(xué)之準(zhǔn)確�！庇终f：“心理測驗(yàn)若有一普遍的標(biāo)準(zhǔn)，則其科學(xué)的與實(shí)際的價(jià)值一定可增加不少�！彼�當(dāng)時(shí)就極力主張測驗(yàn)手續(xù)和考試方法應(yīng)有統(tǒng)一規(guī)定，并要有常模以便比較。所有這些都是測量學(xué)上的重要觀念。但他的測驗(yàn)皆脫胎于馮特的實(shí)驗(yàn)室，測量的大多是感知和運(yùn)動(dòng)過程。對同一個(gè)人來說；—幾項(xiàng)測驗(yàn)的結(jié)果往往很不一致，而且測驗(yàn)得分與老師評定的智力；等級或?qū)W習(xí)成績相關(guān)極低。因此在教育上缺乏實(shí)用價(jià)值。這啟發(fā)后來的研究者探索其他途徑來研究智力的差異。

1891 年，卡特爾作為心理學(xué)教授前往哥倫比亞大學(xué)擔(dān)任心理系主任，在那里一直工作了 26 年。期間，由哥倫比亞大學(xué)授予的心理學(xué)博士學(xué)位比美國任何一所大學(xué)研究院授予的心理學(xué)博士學(xué)位都要多。這些學(xué)位獲得者中有許多人后來成為該領(lǐng)域的知名人士，E.桑代克即其學(xué)生之一。

1896 年任美國心理學(xué)會(huì)第四任主席，1901 年進(jìn)入美國國家科學(xué)院，成為該院第一個(gè)心理學(xué)院士。1929 年擔(dān)任在美國紐黑文市舉行的第 9 屆國際心理學(xué)研討會(huì)主席。

第一次世界大戰(zhàn)爆發(fā)后，由于卡特爾主張和平，被人誤解不忠于政府，而在 1917 年遭哥倫比亞大學(xué)解聘，雖后來上訴獲勝，但無未能復(fù)職。1921 年組建心理學(xué)公司，為工業(yè)、職業(yè)團(tuán)體和公眾提供應(yīng)用心理學(xué)服務(wù)，對心理學(xué)在工業(yè)和教育等領(lǐng)域的應(yīng)用產(chǎn)生了持久的影響，也加強(qiáng)了美國心理學(xué)的機(jī)能主義運(yùn)動(dòng)。作為一個(gè)代言人和編輯，他積極支持心理學(xué)組織和學(xué)會(huì)，直至去世。

卡特爾的所有研究課題都是關(guān)于心理測驗(yàn)和個(gè)體差異方面的。早期他的興趣在于測量簡單的心智歷程，例如簡單心智反應(yīng)的反應(yīng)時(shí)間，包括物體或顏色的叫名作業(yè)（naming task）。他首創(chuàng)了心理測驗(yàn)研究個(gè)別差異，在性質(zhì)上主要沿用了英國高爾頓的測量方式，以感覺動(dòng)作為主，測量兩點(diǎn)域值、重量判斷的最小可覺察差異、噪音出現(xiàn)的反應(yīng)時(shí)、字母的記憶廣度等。之后與馮特一同進(jìn)行研究，發(fā)表數(shù)篇文章。

他的主要貢獻(xiàn)是采用測驗(yàn)統(tǒng)計(jì)的分析方法研究個(gè)別差異，使當(dāng)時(shí)的哥倫比亞大學(xué)成為科學(xué)心理學(xué)與心理測驗(yàn)推動(dòng)的中心，也使哥倫比亞大學(xué)成為教育心理學(xué)的發(fā)源地。此外，他的興趣在于編輯及出版，并且推動(dòng)了許多科學(xué)社群與組織。

當(dāng)他還是馮特的學(xué)生時(shí)，就已經(jīng)對馮特的觀點(diǎn)提出挑戰(zhàn)，他認(rèn)為并不是所有的人都能以馮特所提出的方法做內(nèi)省，也就是把反應(yīng)時(shí)間分為感覺、選擇等。所以，雖然日后他成為馮特的助理，但他只有在自己的住處進(jìn)行一些實(shí)驗(yàn)，因?yàn)轳T特不允許他在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行非內(nèi)省法的實(shí)驗(yàn)。

他關(guān)于控制聯(lián)想的反應(yīng)時(shí)間和自由聯(lián)想的反應(yīng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)研究，在心理學(xué)實(shí)驗(yàn)文獻(xiàn)中是經(jīng)典的。他的研究還涉及個(gè)別差異和心理測驗(yàn)、閱讀和知覺、心理物理學(xué)、次序評量法等領(lǐng)域。其中個(gè)別差異和心理測驗(yàn)是他的中心課題。

他關(guān)于知覺和閱讀研究所得的資料，已經(jīng)成為“注意范圍”的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。他協(xié)同創(chuàng)辦了 7 種以上的心理學(xué)雜志和一般科學(xué)雜志，包括《心理學(xué)評論》、《心理學(xué)專刊》、《美國科學(xué)家》、《科學(xué)》、《心理學(xué)公報(bào)》等。

卡特爾的著作主要為專題論文，他的實(shí)驗(yàn)研究散見于許多刊物之中，他出版的心理學(xué)專著只有《美國科學(xué)家》。1917 年，他的同事將他所有較重要的心理學(xué)研究（29 種）、演講及正式論文（41 種）及其文獻(xiàn)提要（167 種）分兩卷收錄于《詹姆斯·麥基恩·卡特爾 - 科學(xué)家》一書出版。

他的心理測驗(yàn)不同于智力測驗(yàn)，他重在測量基本的身體活動(dòng)或感覺 - 運(yùn)動(dòng)反應(yīng)。因此，他的測驗(yàn)不是智能的有效預(yù)示器（A.比奈編制了一種針對高級心理能力的測驗(yàn)，這種測驗(yàn)才是對智力的有效測量），但其研究的影響是巨大的。為美國這一獨(dú)特的應(yīng)用心理學(xué)領(lǐng)域的拓展作出了貢獻(xiàn)。

美國著名心理學(xué)家基恩，小時(shí)候親歷過一件讓他終生難忘的事，正是這件事使得基恩從自卑走向了自信，也正是這種自信，使他一步步走向成功。

有一次，他躲在公園的角落里偷偷看到幾個(gè)白人小孩在快樂的玩兒，他羨慕他們，也很想與他們一道游戲，但他不敢，因?yàn)樽约菏且粋�(gè)黑人小孩，心里很自卑。

這時(shí)，一位賣氣球的老人舉著一大把氣球進(jìn)了公園，白人孩子一窩蜂地跑了過去，每人買了一個(gè)，高高興興地把氣球放飛到空中去。

白人小孩走了以后，他才膽怯地走到老人面前，低聲請求：“你可以賣一個(gè)氣球給我嗎？”老人慈祥地說：“當(dāng)然。你要一個(gè)什么顏色的？” 他鼓起勇氣說：“我要一個(gè)黑色的。”老人給了他一個(gè)黑色的氣球。他接過氣球，小手一松，黑氣球慢慢地升上了天空……

老人一邊瞇著眼睛看著氣球上升，一邊用輕輕拍著他的后腦勺，說：“記住，氣球能不能升起來，不是因?yàn)轭伾�，形狀，而是氣球�?nèi)充滿了氫氣。一個(gè)人的成敗不是因?yàn)榉N族和出身，關(guān)鍵是你內(nèi)心有沒有自信。”