Действие фильма происходит в 2154 году на планете Пандора, похожем на Землю спутнике газового гиганта Полифем. Корпорация RDA (Resource Development Administration, Управление по разработке ресурсов) добывает на этой планете необычайно ценный минерал анобтаниум. Этой операцией управляет Паркер Селфридж, начальник колонии людей.

Условия на Пандоре похожи на земные, но атмосфера ядовита для человека, поэтому люди носят маски с фильтрами. Пандору населяют На’ви — трехметровые синекожие гуманоиды, живущие в гармонии с природой и поклоняющиеся божеству Эйве.

Из-за добычи анобтаниума, вредящей экосистеме Пандоры, и истребления коренных жителей отношения между людьми и На’ви ухудшились. Для освоения биосферы и налаживания отношений была запущена программа «Аватар»: искусственное выращивание тел (аватаров), полученных путём конвертации ДНК людей в навитранскриптазу (аналогичное ДНК по предназначению соединение). Тело аватара, внешне очень похожее на На’ви, приспособлено к условиям Пандоры, оно удалённо управляется человеком-оператором с помощью сопоставления нервных систем оператора и его аватара.

Основной сюжет фильма сосредотачивается вокруг истории Джейка Салли — бывшего морского пехотинца, который в результате полученного в военном конфликте в Венесуэле ранения прикован к инвалидной коляске. Его брат-близнец Том, учёный, готовившийся к участию в программе «Аватар», был убит грабителем. Поскольку дорогостоящий аватар может быть использован только человеком с ДНК, использованной при его создании, агенты RDA предлагают Джейку занять место брата в программе «Аватар». С этого момента начинается его новая жизнь на Пандоре.

На Пандоре Джейк знакомится с Нормом Спеллманом, коллегой Тома Салли по программе «Аватар», и Максом Пателом, ассистентом Грэйс Огустин — главы программы «Аватар». Грэйс не восторге от Джейка, но после разговора с Селфриджем вынуждена использовать его телохранителем в своём отряде. На базе Джейк встречает Труди Чакон — пилота вертолёта, которая летает с учёными в экспедиции, и полковника Майлза Куоритча — начальника службы безопасности колонии. Полковник поручает Джейку внедриться в один из кланов На’ви — Оматикайя, — чтобы узнать, как принудить их к сотрудничеству, или как их прогнать. Дело в том, что Дерево Дома клана Оматикайя находится на крупном месторождении анобтаниума. В награду за информацию полковник обещает, что поможет Джейку по возвращении домой пройти дорогостоящие медицинские процедуры для того, чтобы он снова смог ходить.

Вскоре Джейк проводит свой первый сеанс в теле аватара, в ходе которого он, восхищённый новыми ощущениями и вновь обретённой возможностью ходить, сбегает из лаборатории и встречает аватара Грэйс. Позже команда Грэйс вылетает в джунгли, где на Джейка в теле аватара нападает танатор — огромный свирепый хищник, похожий на пантеру. Джейк спасается бегством и в результате отбивается от группы. Ночью на него нападает стая змееволков. Он с трудом отбивается от них. Внезапно появившаяся Нейтири, дочь вождя племени Оматикайя - Эйтукана, спасает ему жизнь, но при этом ругает Джейка за его поведение в лесу. Она пытается его прогнать, но видит семена Дерева Души, садящиеся на Джейка. Расценивая это как знак Эйвы, она приводит Джейка в свой клан. Мо’ат, мать Нейтири и духовный лидер клана (цахик), оказывается весьма заинтересована Джейком и поручает Нейтири обучить его обычаям На’ви.

Позже, на базе, Макс подслушивает доклад Джейка Куоритчу и Селфриджу и сообщает об этом Грэйс. Чтобы избежать их влияния, Грэйс принимает решение перевести команду в мобильный блок, находящийся в парящих в воздухе горах Аллилуйя.

В процессе обучения у На’ви Джейк начинает всё больше и больше уважать народ Оматикайя и их обычаи. Он проходит испытание по укрощению икрана (земное название - банши) — летающего, похожего на птеродактиля хищника. В конце обучения Джейка посвящают в члены клана; позже Джейк и Нейтири обручаются под Деревом Голосов — одной из святынь На’ви. Утром дерево разрушает бульдозер, и Джейк, пытаясь его остановить, ломает камеру наблюдения бульдозера. Куоритч узнаёт об этом и приходит в бешенство. В клане на Джейка нападает Цу’тэй — первый воин клана и его будущий вождь, которому Нейтири была обещана в жёны. В порыве ревности он чуть не убивает Джейка, но тот его обезоруживает. После того, как полковник Куоритч выключает сеанс аватара Джейка, Цу’тэй пытается перерезать горло обездвиженному телу аватара, но Нейтири ему мешает.

Грэйс пытается объяснить Селфриджу, что разрушение Дерева Дома отрицательно скажется на состоянии биосферы Пандоры, но Селфридж не придаёт её доводам значения. После этого полковник Куоритч показывает запись из видеодневника Джейка, в которой Джейк высказывает мнение, что Оматикайя не оставят своё Дерево Дома. Селфридж разрешает Куоритчу операцию по уничтожению Дерева. Грейс и Джейку в отчаянии удаётся уговорить Селфриджа разрешить им попытаться уговорить Оматикайя уйти. Джейк рассказывает клану о своей миссии, после чего Нейтири обвиняет его в предательстве. Куоритч во главе отряда вертолётов наносит удар по Дереву; Труди, как пилот участвующая в операции, в итоге отказывается стрелять. В ходе атаки на Дерево погибает Эйтукан. Джейка, Грэйс и Норма помещают под арест за неповиновение. Позже Труди и Макс вызволяют их из карцера; Джейк, Грэйс, Норм и Труди совершают побег с базы, в ходе которого Куоритч серьёзно ранит Грэйс.

Чтобы вновь обрести доверие племени, Джейк укрощает Торука (земное название - Большой Леоноптерикс) — грозного летающего хищника, прозванного На’ви «Последняя тень» (поскольку для многих его появление становилось действительно последним, что виделось в жизни),— и становится шестым Торук Макто (до него укротить Торука удалось только пяти На’ви, среди которых был и прадед прадеда Нейтири). Джейк просит Мо’ат помочь тяжело раненной Грэйс, и весь клан обращается к Эйве с просьбой перенести душу Грэйс из её человеческого тела в тело её аватара; но попытка не удаётся. Джейк обращается с речью к племени, и с помощью Нейтири и Цу’тэя объединяет пятнадцать кланов для борьбы с людьми. Куоритч, заметив мобилизацию На’ви, решает нанести упреждающий удар, выбрав для атаки главную святыню На’ви — Дерево Душ. Его разрушение, по плану Куоритча, вызовет потерю у На’ви связи с Эйвой и деморализует их. Той же ночью Джейк просит у Эйвы помощи в борьбе с людьми.

В ходе нападения людей На’ви удаётся убить несколько солдат и сбить несколько вертолётов, но они несут тяжёлые потери. При попытке остановить шаттл-бомбардировщик погибает Цу’тэй; аватар Норма убит; Куоритч сбивает вертолёт Труди огнём со своего боевого корабля. Нейтири лишается своего икрана. Неожиданно для всех зоосфера Пандоры включается в борьбу с людьми. Танатор находит Нейтири и смиренно становится послушным ей зверем. Джейку удаётся уничтожить шаттл и боевой корабль, но полковник, забравшись в экзоскелет, в последний момент выпрыгивает из подбитого корабля. Он обнаруживает мобильный блок, в котором в саркофаге оператора лежит Джейк, и только внезапное нападение Нейтири верхом на танаторе останавливает полковника. Куоритч убивает танатора и уже готовится убить Нейтири, придавленную трупом животного, когда появляется Джейк. Завязывается драка с полковником, в ходе которой Куоритч разбивает стекло в мобильном блоке, что приводит к проникновению воздуха Пандоры внутрь блока. Тем временем Нейтири выбирается из-под танатора и в последний момент убивает Куоритча, приготовившегося прикончить аватара Джейка. Потом она вовремя обнаруживает и спасает его человеческое тело.

В конце фильма оставшимся в живых людям, в том числе и Селфриджу, разрешено вернуться на загрязнённую, лишённую природной среды Землю с условием, что хищническая разработка анобтаниума на Пандоре будет полностью прекращена. Норму, Максу и некоторым операторам аватаров позволено остаться на Пандоре. В конце Джейк окончательно порывает со своим неполноценным человеческим телом и с помощью Эйвы переносится в тело своего аватара.