La acción se sitúa en 2154. Jake Sully, un marine veterano de guerra y herido en combate que ha quedado parapléjico, es seleccionado para participar en el programa Avatar ocupando el puesto que, como científico, ocupaba su hermano gemelo recién fallecido e incinerado delante sus propios ojos. De esta forma, Jake es trasladado a Pandora, una luna del planeta Polifemo cuya atmósfera es tóxica para los humanos (debido a su alta concentración de ácido sulfhídrico) y que además de albergar una asombrosa biodiversidad, está habitada por los na’vi, una raza humanoide de piel azul, con algunos rasgos felinos y huesos reforzados de forma natural con fibra de carbono.Los humanos se encuentran en conflicto con los nativos del clan Omaticaya debido a que están asentados alrededor de un gigantesco árbol, conocido por ellos como Árbol Madre, que cubre una inmensa veta de un mineral muy cotizado: el unobtainium. La existencia de dicho mineral ha llevado a una empresa privada a crear un proyecto de explotación de recursos minerales, dirigido por Parker Selfridge en lo civil y por el coronel Miles Quaritch en lo militar.
Las mentes de Jake y de unos científicos liderados por la doctora Grace Augustine, cuyos únicos intereses están en la cultura de los Omaticaya y en el estudio de la luna, son trasladadas a los cuerpos artificiales de unos na’vi creados genéticamente (avatares) mientras ellos permanecen inconscientes en cabinas de enlace. De esta forma, la comunicación con los nativos resultaría más sencilla y así podrían convencerlos pacíficamente de que abandonen el Árbol Madre. Por su parte, el coronel Quaritch convence a Jake para que le proporcione información sobre los nativos en caso de que fuera necesario recurrir a la fuerza para que se marchen, y él como recompensa le promete que podrá recuperar el uso de sus piernas inválidas.
Jake, Grace y el doctor Norm Spellman son llevados a la selva de Pandora por la piloto Trudy Chacón.Mientras aprende a ser un na’vi, Jake informa periódicamente a Quaritch sobre cómo destruir el Árbol Madre. Pasan las semanas, y Jake aprende a cazar, correr y saltar entre los árboles como uno más del clan (algo que había olvidado sentir después del incidente de sus piernas de su cuerpo original), incluso es capaz de domar a un Ikran, una criatura alada que cada miembro del clan debe domesticar durante su aprendizaje. Jake pasa cada vez más tiempo con los na’vi, maravillándose por su cultura y sus capacidades y, además, al pasar tanto tiempo juntos, él y Neytiri se enamoran. Tras la ceremonia, Neytiri lleva a Jake al Árbol de las Voces, donde le muestra la conexión que pueden tener con Eywa, su deidad. En ese lugar, Jake y Neytiri se sinceran sobre sus sentimientos y se unen como pareja.
A la mañana siguiente, los humanos comienzan a talar el bosque, destruyendo el Árbol de las Voces. Tras destruir el Árbol Madre, Quaritch vuelve a desconectar a Jake y Grace, encarcelándolos esta vez junto al doctor Norm, que intentó ayudarlos. Los Omaticaya se marchan de su destruido hogar, llevándose el avatar inconsciente de Grace, pero abandonando allí el de Jake.
La piloto Trudy Chacón consigue liberar a Jake, Grace y Norm y los lleva hasta otra unidad de cabinas de enlace para que vuelvan a sus avatares y ayuden a los Na’vi. Durante la huida, el coronel los descubre y los intenta detener disparando con su rifle pero por fortuna logran escapar de la base, sin embargo en el trayecto descubren que Grace esta herida en el costado por los disparos de Quaritch. Una vez a salvo, Jake reflexiona sobre qué hacer para que los Omaticaya vuelvan a confiar en él y se propone montar a la bestia alada que conocen como Toruk. Según una historia que le contó Neytiri, ésta es la criatura más peligrosa de Pandora y quien pueda domarla sería reconocido como Toruk-Macto, un líder de todos los diferentes clanes (incluyendo los Omaticaya) y traería la paz a los Na’vi. Tras lograr su objetivo, Jake se dirige al Árbol de las Almas, y los Omaticaya, al verlo cabalgar a lomo del Toruk, lo perdonan y respetan de nuevo. Neytiri se reconcilia con Jake, diciéndole "Te veo", la máxima expresión de afecto y respeto entre los Na’vi. Incluso Tsu'tey, el nuevo líder del clan Omaticaya, con quien Jake tenía hasta ese momento una fuerte rivalidad, lo acepta como uno más. Entonces Jake les pide ayuda para curar a Grace quien esta herida mortalmente en el costado. Entonces inician un ritual para trasladar la mente de la moribunda Grace humana a su avatar, completamente sano. No obstante no creen poder hacer mucho debido a que está muy débil, al principio parecía que lo lograban pero la doctora no pudo resistir más tiempo y muere, aunque le aclaran que su mente ha pasado a formar parte de la naturaleza de Pandora. Muy enfurecido por lo que hizo Quaritch, Jake exhorta a los Omaticaya a que lo acompañen para reunir a los otros clanes Na’vi y atacar al ejército de los humanos. Quaritch, al enterarse de lo que planean los Na’vi, decide contraatacar y destruir el Árbol de las Almas. Poco antes del enfrentamiento, Jake le ruega a Eywa que los ayude en esta guerra, pero Neytiri le dice que La Gran Madre nunca toma partido en una guerra y solo mantiene el equilibrio de la vida.
Parker Selfridge y el personal militar son expulsados de Pandora, mientras que a Jake (como nuevo líder), Norm y los científicos que estudian Pandora se les permite quedarse. La película finaliza cuando la mente de Jake es traspasada, mediante el mismo ritual que intentaron con Grace, a su avatar Na'vi de forma permanente por el Árbol de las Almas.