En l’an 2154, Jake Sully, ancien marine paraplégique, accepte de participer au programme Avatar pour remplacer son frère jumeau décédé, Tom Sully. Il est envoyé sur Pandora, l’une des lunes de Polyphème, une planète géante gazeuse en orbite autour d'Alpha Centauri A. Cette dernière est l'étoile principale du système stellaire Alpha Centauri, situé à 4,4 années-lumière du Système solaire. Recouverte d’une jungle luxuriante, Pandora est peuplée d’une faune et d’une flore aussi magnifiques que redoutables. Son atmosphère se distingue par une concentration élevée d'acide sulfurique, létale pour les Terriens. En outre, la planète est habitée par les Na'vis, une espèce indigène humanoïde qu'ils considèrent comme primitive et hostile. Pourtant, ces derniers se caractérisent par un mode de vie en totale harmonie avec la nature. Physiquement, les Na'vis peuvent atteindre trois mètres de haut. Ils ont une peau bleu-vert et une longue queue semblable à celle d’un lion. De longs filaments clairs, partant du haut de leur nuque et protégés par une natte qu'ils tressent autour, sont un organe qu'ils partagent avec les animaux et les plantes. Ils leur servent à s'y connecter et interagir avec eux par la pensée et les sensations, un acte qu'ils appellent tsaheylu, (« faire le lien »).
À leur arrivée sur Pandora, les humains découvrent un minerai jusqu’alors inconnu, l’unobtanium. Ce matériau miracle se révèle être la clé pour résoudre la crise énergétique qui sévit sur Terre. La RDA10, un consortium militarisé visant à l’exploitation des ressources minières de l'espace, recrute et gère les équipes chargées de prospecter Pandora. Comme le plus gros gisement se trouve sous les racines d’un arbre gigantesque habité par le clan Na’vi des Omaticayas, les Terriens décident de créer le programme Avatar, une opération diplomatique visant à gagner la confiance des Na’vis et déplacer le clan afin de pouvoir extraire le minerai.
Scientifique retenu après une longue formation, Tom Sully a été assassiné en 2154 avant d'embarquer pour Pandora. Or, chaque « avatar » est créé génétiquement à partir d’ADN de Na'vi et de l’ADN de son « pilote ». Le frère jumeau de Tom, Jake Sully, prend donc sa place au sein du programme. D'apparence Na'vi, un avatar possède néanmoins un cerveau humain. Il doit être contrôlé à distance. Pour ce faire, le pilote utilise un caisson spécial qui met son corps réel au repos. Une équipe de scientifiques est également chargée de superviser le pilotage. Hors utilisation, un avatar est plongé dans le coma.
Plusieurs humains participent au programme et ont donc un avatar, dont le docteur Grace Augustine (responsable scientifique) et Norman Spellman (spécialiste de la langue Na'vi, débarqué en même temps que Sully). Quand il prend le contrôle de son avatar, Jake — dont les jambes sont paralysées — découvre la joie de pouvoir marcher à nouveau.
Il part en mission d’exploration dans la jungle avec les avatars de Grace et Norman et découvre les multiples beautés et dangers de Pandora. Poursuivi par un prédateur gigantesque (Thanator), il se trouve séparé de ses compagnons et passe la nuit seul dans la jungle. Il manque de se faire tuer mais une jeune femme Na'vi nommée Neytiri, qui l'observe, le sauve. À la suite d'un signe d’Eywa, divinité Na'vi qui personnifie la nature, elle décide de l’emmener avec elle et il fait la connaissance du peuple Omaticaya. Jake apprend alors que Neytiri est la fille d’Eytukan, l'Olo'eyktan (chef du clan Omaticaya), et qu'elle deviendra Tsahik (chamane) lorsque sa mère quittera ce monde. Le futur chef du clan, promis à Neytiri, est le chef des guerriers nommé Tsu’tey. L'actuelle Tsahik charge sa fille Neytiri d'apprendre les usages omaticayas à Jake et de le familiariser avec leur mode de vie.
De retour à la base, Jake raconte ses exploits à l'équipe de Grace et au colonel Quaritch, chef de la sécurité. Ce dernier lui confie une mission de trois mois au sein de l'équipe de Grace pour convaincre les Omaticayas de quitter l'arbre. Au matin suivant, Jake commence son apprentissage au sein de la tribu, tout en rendant compte de ses découvertes à Quaritch. Pour éloigner Jake du colonel, Grace emmène son équipe hors de la base pour s'établir dans l'annexe du programme située dans les Hallelujah, une chaîne de montagnes flottantes. Elle peut ainsi utiliser la relation privilégiée qu'a Jake avec les Omaticayas pour qu'ils l'autorisent à revenir dans la tribu depuis la fermeture (tragique) de l'école qu'elle animait au sein de la communauté11.
Durant les trois mois, Jake s’intègre de plus en plus aux Omaticayas, apprenant leurs coutumes. Au fur et à mesure, il apprend à vivre comme un Na’vi en apprenant à chasser et à parler leur langue. Un jour, il est prêt à passer l'épreuve du domptage de son « ikran » (une sorte de dragon volant) qu'il réussit et s'impose comme un excellent cavalier des airs. Les trois mois se sont écoulés et Jake, qui préfère sa nouvelle vie dans son avatar au détriment de sa vie réelle, est remercié par le colonel pour son travail, mais Jake veut retourner dans la tribu le soir même. En effet, Jake a gagné sa place et fait partie des Omaticayas, même si le futur chef, Tsu'tey, voit d'un mauvais œil le rapprochement du terrien avec sa promise. En effet, Jake s’aperçoit un jour qu’il est tombé amoureux de Neytiri et que c'est réciproque. Il s’unit à elle devant Eywa dans un lieu sacré où les Na'vi sont en mesure de communiquer avec leur divinité.
Le lendemain, des bulldozers rasent les Utral Aymokriyä, les Arbres des voix où se sont unis Jake et Neytiri. Ce dernier se réveille in extremis dans son corps d'avatar, ayant été retardé dans son transfert par Norman et la Doctoresse Augustine et tente de s'en prendre à la machine avant d'être mis en déroute par les soldats. Les Omaticayas se réunissent pour préparer une riposte. Mais à ce moment-là, Jake s'effondre, car sa liaison a été interrompue par Quaritch venu dans l'annexe pour le ramener à la base avec Grace et Norman pour trahison. L'équipe de Grace comprend que Quaritch et Parker, le chef du programme civil, ont pris une décision radicale et dévastatrice pour le peuple Omaticaya12. Quaritch fait décoller les forces aériennes pour détruire l'Arbre Maison. Grace réussit à les convaincre de laisser Jake retrourner chez les Omaticayas pour prévenir du danger et évacuer la population. Mais là-bas, Jake est également rejeté par les Omaticayas quand il leur apprend qu’il est en réalité venu à eux pour les convaincre d'abandonner leur arbre. Grace et lui sont faits prisonniers.
Peu après, Quaritch fait détruire par les forces aériennes l’Arbre Maison où vivent les Omaticayas. Mo'at, la mère de Neytiri, libère Jake et Grace de leurs liens et ce dernier aide les deux femmes à échapper à l'effondrement du Kelutral, l'arbre-maison. Leur chef meurt lors de son effondrement. Jake est vu comme un paria, un ennemi du peuple Omaticaya par ses actions passées et se retrouve abandonné dans les cendres de l'arbre-maison, mais il est également vu comme un traître par Parker qui les fait arrêter, tout comme Grace et Norman. Ils arrivent à s'évader de leur cellule grâce à la pilote Trudy, mais Quaritch tire sur eux et blesse gravement Grace. Les fuyards se réfugient près de "l'arbre des âmes" pour éviter qu'ils ne soient débranchés par les militaires non sans déplacer l'annexe des Hallelujah.
Pour revenir auprès de son peuple, Jake est obligé de commettre un acte irréfléchi et dangereux : devenir un Toruk Makto, le cavalier de la Dernière Ombre, en domptant un Grand Leonopteryx, le plus grand prédateur de Pandora. Ce dernier est vénéré par les Na'vi et Jake fait l'unanimité auprès du clan Omaticaya, qui a trouvé refuge dans leur sanctuaire sacré auprès de l'arbre des âmes, en arrivant sur le dos de la créature. Pour faire front à l'armée humaine, il rassemble une alliance d’une quinzaine de clans. Jake demande l’aide des Omaticayas pour soigner Grace, ou passer définitivement son esprit dans le corps de l’avatar, mais il est déjà trop tard et elle s’éteint sous l’arbre des âmes, son esprit rejoignant Eywa. Jake décide de rallier les autres tribus Na'vis pour préparer une contre-attaque. Il demande également de l'aide auprès de l'arbre des âmes mais Neytiri lui dit qu'Eywa n'intervient pas dans une bataille.
Quaritch, voyant d’importants mouvements de troupes Na’vis, monte une attaque préventive contre eux avec pour but de détruire « l’arbre des âmes », un site où réside Eywa, le plus grand lieu de recueillement pour les Na’vis. Ceux-ci, dirigés par Jake Sully, Norman et Tsu’tey, nouveau chef des Omaticayas, vont alors entrer en guerre contre les humains. Gagnant au début grâce à l’effet de surprise, ils sont ensuite écrasés par la puissance des armes terriennes (qui a fait disparaître des amis de Jake dont Trudy, l'avatar de Norm, Tsu’tey13, et l'ikran de Neytiri). Au moment où tout semble perdu, des milliers d’énormes animaux furieux envoyés par Eywa déferlent sur les troupes de Quaritch (nantangs, ikrans, titanosaures…) et les déciment. Jake fait exploser la navette comportant les explosifs avant qu'elle n'arrive à l'arbre et fait s'écraser l'appareil de Quaritch, ce dernier ayant eu le temps de s'équiper de son armature en exosquelette et de s'en éjecter. Le colonel trouve l'annexe cachée et s'apprête à la détruire. Neytiri intervient, mais elle est rapidement coincée par la monture que le colonel a tuée. S'en suit un duel avec Jake qui arrive à endommager l'habitacle de l'armure du colonel. Ce dernier réplique en dépressurisant l'annexe, ce qui asphyxie Jake dormant dans son caisson. Neytiri tue Quaritch de deux flèches et se rend dans l'annexe pour donner le masque à Jake pour lui sauver la vie. Tous deux se regardent avec amour.
Lors des dernières scènes, les Terriens quittent la planète sous l’œil attentif des Na'vis, certains restant car ils les ont aidés. Les Na’vis sont redevenus maîtres de leur planète grâce à leur fusion efficace avec la nature. Avec l’aide d’Eywa, ils transfèrent définitivement l’esprit de Jake dans le corps de son Avatar. Il devient un Na'vi comme les autres.