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 вВенесуэле 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...