奈特亞姆死後不久，蘇里一家仍沉浸在喪子之痛中。奈蒂莉對人類的仇恨變得前所未有的強烈，洛阿克則深深自責，認為是自己的魯莽導致了哥哥的死亡。傑克對伊娃的信仰也開始動搖——他帶著全家離開家園、投奔礁人族，本以為能換來平安，結果卻失去了長子。
蜘蛛的處境在家中變得越來越尷尬。他是柯邁斯上校的人類之子，卻從小在納威人中長大。某天夜裡，蜘蛛的氧氣面罩在睡夢中耗盡了能源。傑克和奈蒂莉意識到，以蜘蛛的人類體質，繼續留在潘多拉的叢林和海洋中實在太過危險。他們決定趁一支飛行商船隊途經時，將蜘蛛送回人類的高地營地。
灰燼族的伏擊
全家人護送蜘蛛登上了由風行者佩拉克率領的飛行商船隊。然而商船隊剛飛過一片火山地帶，就遭到了突然襲擊。攻擊者是曼克萬族，又稱「灰燼族」——一個來自潘多拉火山地區的好戰部落，由女族長兼祭司瓦琅統領。灰燼族崇拜火焰，認為伊娃早已拋棄了他們，因此不受任何傳統納威信仰的約束。
瓦琅的戰士們用火箭和燃燒彈點燃了商船，在混亂中屠殺倖存者、劫掠貨物。蘇里一家被打得四散：傑克被灰燼族俘虜，奈蒂莉與年幼的圖克走失，洛阿克墜入叢林，而琪莉和蜘蛛則被困在一艘燃燒的殘骸上。
在逃離殘骸的過程中，蜘蛛的氧氣面罩徹底報廢，他開始窒息。危急關頭，琪莉做了一件連她自己都無法完全理解的事——她將神經辮連接地面，進入了與潘多拉生態網絡溝通的出神狀態。潘多拉的菌絲體在她的引導下湧入蜘蛛的身體，與他的呼吸系統融合。當蜘蛛再次睜開眼睛時，他發現自己竟然能夠直接呼吸潘多拉的空氣了。不僅如此，他的後頸還長出了一條神經辮，就像納威人一樣。
柯邁斯的陰謀
與此同時，以重組體納威人身份復活的邁爾斯·柯邁斯上校再次登場。他找到了瓦琅和灰燼族，帶去了人類的槍械和火焰噴射器作為見面禮，與瓦琅結成了聯盟。柯邁斯需要灰燼族的戰鬥力來幫RDA重新控制潘多拉，而瓦琅則需要人類的先進武器來擴張領地。兩人之間甚至發展出了一段曖昧關係。
柯邁斯的真正目標是蜘蛛。RDA的科學家們得知蜘蛛通過菌絲體獲得了呼吸潘多拉空氣的能力後，意識到這項技術如果能被複制，人類就不再需要昂貴的阿凡達身體或氧氣設備——整個殖民計劃的成本將大幅降低。蜘蛛被RDA抓獲並送入實驗室接受檢測。
傑克在灰燼族的營地中面臨處決。奈蒂莉得知消息後，在一位名叫伊恩·加文的人類科學家幫助下潛入設施，救出了傑克。蜘蛛也在混亂中逃了出來，他明白RDA不敢真的殺他——他的身體太有研究價值了——於是以自己的血肉之軀掩護傑克和奈蒂莉撤退。
然而脫險之後，夫婦倆就蜘蛛的問題爆發了激烈的爭吵。奈蒂莉認為蜘蛛的存在本身就是一個威脅——只要他活著，RDA就會不擇手段地追捕他，整個潘多拉都可能因此淪陷。傑克在極度矛盾中一度舉起了武器，準備親手解決這個問題。但在最後一刻他放下了手，緊緊抱住了這個他從小養大的人類男孩。奈蒂莉目睹了這一切，終於放下了心中的仇恨，含淚接納蜘蛛為自己的家人。
圖鯤的集結
另一條故事線追隨著洛阿克。他與家人失散後，獨自去尋找他的圖鯤朋友帕亞坎。帕亞坎因為違背圖鯤一族和平主義的傳統而被族群放逐，洛阿克為帕亞坎辯護，卻遭到傑克的嚴厲斥責——傑克將奈特亞姆的死歸咎於洛阿克不服管教的性格，這番話深深傷害了洛阿克。絕望之中，洛阿克甚至試圖結束自己的生命，幸而被琪莉和喜芮亞及時發現並阻止。
當傑克發出RDA即將大規模獵殺圖鯤的警告後，一個龐大的圖鯤群集結到了礁人族的海域。面對人類的屠殺，圖鯤們起初仍堅持和平主義的信條，拒絕反擊。直到洛阿克帶來了帕亞坎和一頭渾身傷疤的老圖鯤譚奧克——譚奧克身上佈滿了被人類獵殺時留下的舊傷——圖鯤們終於動搖了。
傑克重新駕馭了魅影——那頭曾讓他成為「魅影騎士」的巨型飛行翼龍。他騎著魅影飛遍潘多拉各部族的領地，召集納威人聯合起來對抗RDA和灰燼族的聯軍。
最終決戰
RDA艦隊向礁人族海域發起了全面進攻，灰燼族作為地面突擊力量同時發動猛攻。圖鯤群和納威戰士們迎擊敵人，海面上展開了一場史詩級的混戰。
戰鬥的代價是慘烈的。礁人族女族長羅納爾身受致命重傷——她當時正懷有身孕。在彌留之際，奈蒂莉幫助她完成了分娩，嬰兒普里爾平安降生，但羅納爾隨即離世。人類獵手米克·斯科斯比則被譚奧克殺死，為所有被屠戮的圖鯤報了仇。
就在戰局僵持之際，琪莉終於完成了她一直在嘗試的事情——與伊娃建立真正的溝通。她請求伊娃介入這場戰爭。伊娃給出了回應：潘多拉星球上的各種生物——飛禽走獸、深海巨獸、叢林中的植物——如同接到了號令一般，同時向RDA的部隊發起了攻擊。這是整個星球的力量在反擊入侵者。灰燼族的攻勢被徹底瓦解，瓦琅試圖殺死奈蒂莉，卻被琪莉擊退。
傑克的魅影在空中引發了一場磁暴，摧毀了RDA的旗艦。在磁暴的混亂中，傑克和柯邁斯被拋到了一塊浮空岩石上，展開了最後的搏鬥。蜘蛛緊隨其後跳了過來，開槍擊中了柯邁斯。柯邁斯墜向浮巖邊緣時卻伸手拉住了同樣在墜落的蜘蛛——畢竟那是他的親生兒子。傑克不得不將兩人一起拉了上來。當奈蒂莉和孩子們趕到時，寡不敵眾的柯邁斯選擇縱身躍入火焰和濃煙之中，他的生死就此成謎。
蜘蛛的歸宿
戰爭結束了。在奈蒂莉的支持下，蘇里一家正式接納蜘蛛為家庭成員。蜘蛛和礁人族的成員們一起連接了水下的靈魂之樹。在靈魂世界中，蜘蛛見到了已故納威人的靈魂——這對於一個從未被完全接納的人類養子來說，意義非凡。琪莉在靈魂世界中將蜘蛛介紹給了她的「母親」格蕾絲·奧古斯汀博士的意識。納威人為蜘蛛舉行了正式的接納儀式，他從此不再只是一個被納威人收養的人類孤兒，而是真正成為了他們中的一員。
片名中的「火與燼」，在卡麥隆的解讀中有著雙重含義：「火」象徵著憤怒、仇恨與暴力——灰燼族對火的崇拜、奈蒂莉對人類的復仇怒火、柯邁斯燃燒一切的執念；「燼」則象徵著燃燒過後留下的殘骸——失去奈特亞姆的悲傷、戰爭留下的創傷，以及在廢墟中重新生長出來的、更深刻的家庭紐帶。