Entramos en el extraño mundo de Pandora de la mano de Jake Sully, un ex marino confinado a una silla de ruedas. Pero, a pesar de su abatido cuerpo, Jake sigue siendo un guerrero en su corazón.El es seleccionado para participar en el programa Avatar ocupando el puesto que, como científico, ejercía su hermano gemelo recién fallecido. De esta forma, Jake es trasladado a Pandora y es reclutado para viajar a años luz, a un puesto humano en Pandora, donde un consorcio corporativo está extrayendo un raro mineral que será clave en la solución de la crisis energética de la Tierra. Debido a que la atmósfera de Pandora es tóxica, han creado el Programa Avatar, en el que “conductores” humanos tienen sus conciencias unidas a un avatar, un cuerpo biológico controlado de manera remota que puede sobrevivir en el aire letal. Estos avatares han sido creados genéticamente como híbridos combinando ADN humano con ADN de los seres nativos de Pandora… los Na’vi.
Vuelto a nacer en su forma de avatar, Jake puede volver a caminar. Se le asigna la misión de infiltrarse entre los Na’vi, que se han convertido en un obstáculo importante para la extracción del preciado mineral. Pero una hermosa mujer Na’vi, Neytiri, salva la vida de Jake, y esto lo cambia todo. Jake es aceptado por su clan, y se preparara para convertirse en uno de ellos, lo que implica muchas pruebas y aventuras. A medida que la relación con su reticente profesora Neytiri se hace más profunda, aprende a respetar el modo de ser de los Na’vi y al final ocupa su lugar entre ellos.Mo’at, la líder espiritual y madre de Neytiri, nota algo especial en el marine y acepta que se quede para aprender a ser un na’vi bajo la enseñanza de su hija.
Mientras aprende a ser un na'vi, Jake informa periódicamente a Quaritch sobre cómo destruir Árbol Madre. Pasan las semanas, y Jake aprende a cazar, correr y saltar entre los árboles como uno más del clan, incluso es capaz de domar a un Ikran, una criatura alada que cada miembro del clan debe domesticar durante su aprendizaje. Jake cada vez pasa 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. Como resultado, empieza a olvidar su misión e incluso su vida como humano, y deja de informar a Quaritch. Grace también es aceptada por los Omaticaya. Cuando sólo falta un día para la ceremonia en la que Jake se convertirá definitivamente en parte del clan, Quaritch le comunica que su misión ha acabado y que puede regresar a la Tierra para que le curen. Sin embargo, él le pide que le deje estar en la ceremonia, diciéndole que si se convierte en uno de ellos podrá convencer a los Omaticaya de que se vayan. 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. Jake trata de impedirlo, pero al hacerlo le identifican, y Quaritch, furioso, le desconecta a él y a Grace de sus cabinas y les dice que destruirá Árbol Madre en una hora esté el clan o no. De vuelta a su avatar, Jake les cuenta a todos los miembros del clan la verdad e intenta convencerles de que se vayan. Los Omaticaya, sintiéndonse traicionados, deciden quedarse y resistir el ataque de los humanos, y atan a Jake y Grace. Ni siquiera Neytiri perdona a Jake. Como la hora se ha cumplido, Quaritch y sus hombres comienzan a derribar Árbol Madre. En medio del desastre, Mo'at libera a Jake y Grace para que puedan ayudarles. Éstos hacen lo que pueden para proteger al clan, pero muchos na'vi resultan heridos y Eytukan muere. Tras destruir Árbol Madre, Quaritch vuelve a desconectar a Jake y Grace, encarcelándoles esta vez junto al doctor Norm, que intentó ayudarles. 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 les 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 les descubre y alcanza a Grace con un disparo. 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 traería la paz a los na'vi. Tras lograr su objetivo, Jake se dirige al Árbol de las Almas y los Omaticaya, al verle a lomos del Toruk, le perdonan, y le respetan de nuevo. Neytiri se reconcilia con Jake, diciendole "Te Veo", la máxima expresión de afecto y respeto entre los na'vi. Incluso Tsu'tey, el nuevo líder, con quién Jake tenía hasta ese momento una fuerte rivalidad, le acepta como uno más. Entonces Jake les pide ayuda para curar a Grace e inician un ritual para trasladar la mente de la moribunda Grace a su avatar, completamente sano; no obstante y debido a que está muy débil, la doctora fallece, aunque se aclara que su mente ha pasado a formar parte de la naturaleza de Pandora. Encolerizado, Jake les ordena (al haber domado el Toruk puede hacerlo) a los Omaticaya que le acompañen para reunir a los otros clanes na'vi y para atacar al ejército de los humanos. Quaritch, al enterarse de lo que planean los na'vi, decide contraatacar planeando destruir el Árbol de las Almas . Poco antes del enfrentamiento, Jake le ruega a Eywa que les ayude, pero Neytiri le dice que su deidad nunca interviene y sólo mantiene el equilibrio de la vida.
Los na’vi, ayudados por Norm en su avatar y Trudy en su nave, tratan de combatir a los militares, pero, aunque les superan en número (son más de quince clanes) no pueden hacer casi nada contra su armamento. Trudy, Tsu'tey y el avatar de Norm, al igual que cientos de na'vi, mueren durante la batalla. Sin embargo, cuando todo parece perdido, Eywa, quién milagrosamente había escuchado las plegarias de Jake, envía a todas las criaturas de Pandora a atacar a los humanos, mientras Jake consigue destruir sus dos naves principales. Los na'vi logran la victoria, pero el coronel Quaritch, lejos de rendirse y protegido por una colosal armadura (el AMP Suit), llega hasta el lugar donde se encuentra el Jake humano con la intención de matarle. Neytiri aparece en ése momento a lomos de un Thanator (su Ikran murió durante la batalla) y empieza a atacarle, pero Quaritch consigue matar a la bestia dejando a Neytiri atrapada bajo su peso muerto. Jake llega en ése momento, y él y Quaritch comienzan a luchar a muerte. Jake rompe una parte de la armadura dejando el torso de Quaritch al descubierto, pero el coronel consigue averiar la cabina de enlace, y el Jake humano se despierta y empieza a ahogarse. El Jake na'vi queda inconsciente, y Quaritch intenta asesinarle, pero Neytiri se libera y logra matar al coronel de dos flechazos. Entonces ella intenta ayudar al inconsciente Jake na'vi, pero pronto se da cuenta de que el auténtico Jake se está muriendo ahogado en la cabina. Cuando Neytiri llega, Jake parece muerto, pero consigue ponerle una máscara antigás y él vuelve en sí. En ese momento, Neytiri ve a Jake tal y como es por primera vez.
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.
