- Sam Worthington interpreta al protagonista de la película, Jake Sully, un marine parapléjico que se une al proyecto Avatar para ocupar el puesto que, como científico, ejercía su hermano gemelo recientemente fallecido. Tras ver a numerosos candidatos para el papel en Estados Unidos, Margery Simkin, directora de casting de la película, sugirió a Cameron la posibilidad de ampliar la búsqueda a otros países de habla inglesa como Reino Unido, Irlanda o Australia. Simkin se puso en contacto con Christine King, una directora de castingaustraliana con la que había trabajado en el pasado, y le pidió que seleccionara a varios candidatos. Worthington fue uno de ellos, aunque en un principio se sintió escéptico debido al secretismo que rodeaba al proyecto, ya que no le contaron nada acerca del guion y quién era el director. Una semana después recibió una llamada para realizar una nueva audición, esta vez con Cameron, quien afirmó que Worthington tenía «todas las cualidades que esperaba para el papel».
- Stephen Lang interpreta al Coronel Miles Quaritch, comandante militar del proyecto y encargado de la seguridad de la base. Lang había hecho una audición para el papel de Cameron en Aliens, el regreso, que no lo obtuvo, pero el director recordó al actor y le eligió para Avatar.
- Michelle Rodriguez aparece como Trudy Chacón, una piloto de helicópteros que lleva dos años formando parte del cuerpo de militares asentado en Pandora y que acaba convirtiéndose en una renegada al ayudar a los na'vi en la lucha por conservar sus tierras. Cameron había querido trabajar con la actriz desde que la vio en la película Girlfight (200).