Hall studierte unter anderem Geologie bei Amos Eaton und Ebenezer Emmons am Rensselaer Polytechnic Institute mit dem Master-Abschluss 1833 und lehrte dann Chemie und Geologie am Rensselaer Polytec. 1836 war er Teil eines mehrjährigen Projekts der geologischen Landesaufnahme des Staates New York, zunächst als Assistent von Emmons. Dabei wurde die Stratigraphie der geologischen Schichten festgelegt und benannt. Nach Ende der Arbeit 1841 wurde er erster Staats-Paläontologe von New York. Der Endreport seines Distrikts (die Landesaufnahme war in vier Distrikte aufgeteilt), des vierten im westlichen Teil von New York, erschien 1843. Hall gründete ein Labor in Albany, das heute als James Hall Office bekannt ist und unter Denkmalschutz steht. Dort wurden viele bekannte Geologen und Paläontologen ausgebildet wie Charles Walcott und Charles Emerson Beecher, die seine Assistenten waren. 1866 wurde er Direktor des Museum of Natural History von New York in Albany. 1893 wurde er Staatsgeologe von New York. Er liegt in Albany begraben.
Hall entdeckte unter anderem, dass die Stromatolithen in den Petrified Sea Gardens in Saratoga Springs organischen Ursprungs sind.
Neben seiner Arbeit in New York erkundete er auch den Rest der USA. 1850 nahm er an der geologischen Aufnahme von Nord-Michigan und Wisconsin teil, wobei er die ersten fossilen Riffe in den USA entdeckte. Von 1855 bis 1858 war er Staatsgeologe von Iowa und von 1857 bis 1860 von Wisconsin.
↑Holger Krahnke: Die Mitglieder der Akademie der Wissenschaften zu Göttingen 1751–2001 (= Abhandlungen der Akademie der Wissenschaften zu Göttingen, Philologisch-Historische Klasse. Folge 3, Bd. 246 = Abhandlungen der Akademie der Wissenschaften in Göttingen, Mathematisch-Physikalische Klasse. Folge 3, Bd. 50). Vandenhoeck & Ruprecht, Göttingen 2001, ISBN 3-525-82516-1, S. 101.
↑Académicien décédé: James Hall. Académie royale des Sciences, des Lettres et des Beaux-Arts de Belgique, abgerufen am 22. September 2023 (französisch).