Van de leeftijd van 12 tot 20 jaar volgde James Keeler geen school maar hij toonde wel een grote interesse voor astronomie. Hij bouwde verschillende astronomische toestellen en legde zich toe op het bestuderen van het zonnestelsel. Dankzij een weldoener kon hij later aan de Johns Hopkins Universiteit studeren, waar hij zijn diploma behaalde in 1881.
Hij heeft spectroscopisch onderzoek verricht naar de ringen van Saturnus en bewees dat de ringen geen massieve schijven konden zijn omdat ze niet aan een uniforme snelheid rond Saturnus draaiden.
James Keeler heeft in 1899 zes extragalactische stelsels ontdekt, vanaf de Aarde gezien zich schijnbaar in de buurt van Messier 51 bevindend, het bekende Draaikolkmelkwegstelsel in het sterrenbeeld Jachthonden. Elk stelsel kreeg een plaats in de Index Catalogue: IC 4263, IC 4277, IC 4278, IC 4282, IC 4284, IC 4285.