战斗中负伤而下身瘫痪的前海军战士杰克·萨利（萨姆·沃辛顿SamWorthington饰）决定替死去的同胞哥哥来到潘多拉星操纵格蕾丝博士（西格妮·韦弗SigourneyWeaver饰）用人类基因与当地纳美部族基因结合创造出的“阿凡达”混血生物。杰克的目的是打入纳美部落，外交说服他们自愿离开世代居住的家园，从而SecFor公司可砍伐殆尽该地区的原始森林，开采地下昂贵的“不可得”矿。在探索潘多拉星的过程中，杰克遇到了纳美部落的公主娜蒂瑞（佐伊·索尔达娜ZoeSaldana饰），向她学习了纳美人的生存技能与对待自然的态度。与此同时，SecFor公司的经理和军方代表上校迈尔斯（史蒂芬·朗StephenLang饰）逐渐丧失耐心，决定诉诸武力驱赶纳美人……本片采用3D技术拍摄，共耗资5亿美元制作发行，是电影史上最为昂贵的作品。本片荣获第82届奥斯卡最佳摄影、最佳视觉效果、最佳艺术指导等3项大奖。
2154年，地球的自然资源已经枯竭，正在遭受生态灭绝。[28]资源开发管理局（RDA）在半人马座阿尔法星系统的卫星潘多拉上开采宝贵的铀矿。潘多拉星球的大气层不适合人类居住，这里居住着纳美人，他们是高 10 英尺（3.0 m）、蓝皮肤、具有智慧的类人生物，与自然和谐相处。为了探索潘多拉星球，基因匹配的人类科学家使用了被称为“阿凡达”的纳美人和人类混血儿。截瘫海军陆战队员 杰克·萨利被派往潘多拉星球，接替已故的同卵双胞胎，后者已签约成为一名操作员。阿凡达计划负责人格蕾丝·奥古斯丁博士认为苏利不够格，但接受他作为保镖。
在护送格蕾丝和诺姆·斯佩尔曼博士的化身时，杰克的化身遭到潘多拉野生动物的攻击，他逃进森林，在那里被雌性纳美人奈提莉救起。她对杰克产生怀疑，将他带到了她的部落。奈蒂莉的母亲莫阿特是氏族的精神领袖，她命令女儿引导杰克加入他们的社会。RDA 安全部队负责人迈尔斯·夸里奇上校向杰克保证，如果他提供有关纳美人及其聚集地巨型Hometree的信息，公司将恢复他的双腿使用能力，其下方蕴藏着丰富的铀矿床。得知此事后，格蕾丝将自己、杰克和诺姆转移到一个前哨基地。当杰克加入部落时，杰克和奈提莉坠入爱河。他和奈提莉互相选择作为伴侣。当杰克试图阻止一台威胁纳威圣地的推土机时，管理员帕克·塞尔弗里奇下令摧毁家园树。尽管格蕾丝认为摧毁家园树可能会损害潘多拉的生物神经网络，塞尔弗里奇还是给了杰克和格蕾丝一小时的时间来说服纳美人撤离。
杰克承认自己是间谍，纳美人俘虏了他和格蕾丝。夸里奇的士兵摧毁了家园树，杀死了许多人，其中包括奈提莉的父亲、部落首领。莫阿特释放了杰克和格蕾丝，但他们脱离了自己的化身，并被夸里奇的军队囚禁。飞行员特鲁迪·查孔 (Trudy Chacón) 对夸里奇的残暴感到厌恶，将杰克、格蕾丝和诺姆空运到格蕾丝的前哨基地。格蕾丝在逃跑过程中被枪杀。杰克通过将自己的思想与托鲁克（Toruk）的思想联系起来，重新获得了纳美人的信任，托鲁克是一种受到纳美人恐惧和尊敬的类龙生物。在神圣的灵魂之树处杰克恳求莫阿特治愈格蕾丝。氏族试图借助灵魂之树将格蕾丝转移到她的化身中，但她死了。在新酋长 Tsu'tey 的支持下，杰克团结了氏族，并告诉他们聚集所有氏族来对抗 RDA。夸里奇组织了一场针对灵魂之树的袭击，以挫伤纳美人的士气。杰克通过与灵魂之树的神经连接向纳美人神祇艾瓦祈祷。楚泰和特鲁迪是这场战斗中伤亡惨重的人之一。
当潘多拉野生动物出人意料地加入攻击并压倒人类时，纳美人获救，奈蒂莉将其解释为艾瓦回应了杰克的祈祷。穿着AMP 套装的夸里奇逃离了坠毁的飞机，并打开了包含杰克人体的化身链接装置，将其暴露在潘多拉的有毒气氛中。当夸里奇准备割断杰克化身的喉咙时，他被奈提莉杀死，奈提莉将杰克从窒息中解救出来，并第一次看到了他的人类形态。除了杰克、诺姆和其他少数人之外，所有人类都被逐出潘多拉星球。在灵魂之树的帮助下，杰克永久地转移到他的化身中。