2154年。地球資源枯竭，人類將目光投向了阿爾法半人馬座的一顆衛星——潘朵拉。這顆星球的大氣對人類有毒，卻蘊藏著一種極其珍貴的超導礦物「難得素」（Unobtanium），每公斤價值兩千萬美元。為了開採這種礦物，人類在潘朵拉建立了軍事化的採礦基地，由資源開發管理局（RDA）運營。
潘朵拉上生活著一種身高三米、藍色皮膚的類人種族——納美人（Na’vi）。他們通過頭髮末端的神經觸鬚與星球上的動植物相連，崇拜名為「艾娃」的大地母神。而納美人最大的聚居地，恰好坐落在潘朵拉上最大的難得素礦脈正上方。
阿凡達計劃
傑克·蘇里（山姆·沃辛頓飾）是一個雙腿癱瘓的前海軍陸戰隊員。他的雙胞胎哥哥湯米是阿凡達計劃的科學家，但在出發前被劫匪殺害。因為基因匹配，傑克被徵召頂替哥哥的位置來到了潘朵拉。
「阿凡達」是科學家們用人類DNA和納美人DNA混合培育的克隆體。操控者躺進一個連接艙，意識就會傳輸到阿凡達體內——你能看到它看到的，感受它感受的，像操縱自己的身體一樣操縱它。對傑克來說，這意味著他第一次重新擁有了能行走的雙腿。
阿凡達項目的負責人是葛蕾絲·奧古斯汀博士（雪歌妮·薇佛飾），一位執著的植物學家，她試圖通過外交手段與納美人建立關係。但RDA的安全主管邁爾斯·柯邁斯上校（史帝芬·朗飾）有別的想法——他需要傑克做間諜，滲透進納美人部落，獲取情報，好讓軍隊找到最有效的方式「搬走」他們。柯邁斯許諾傑克一筆錢，讓他回地球做脊椎手術，重新站起來。
傑克答應了。
潘朵拉的叢林
第一次以阿凡達的身體踏入潘朵拉叢林時，傑克像個孩子一樣興奮。這片外星雨林美到令人窒息——發光的植物、漂浮的山脈、六條腿的馬、會飛的蜥蜴。但它也危險無比。傑克在一次探索中和隊伍走散，夜裡被一群毒狼包圍。
奈蒂莉（柔伊·莎達娜飾）救了他。她是納美人奧馬提卡亞部落酋長的女兒，一個驕傲、兇猛、美麗的戰士。她本打算無視這個笨手笨腳的「天空人」，但當一群聖樹的種子——納美人眼中的精靈——落滿了傑克全身時，奈蒂莉認為這是艾娃母神的指引。
她帶傑克回到了部落。族長決定讓奈蒂莉教傑克學習納美人的方式——騎馬、射箭、攀爬、飛行，以及最重要的：與這片土地建立聯結。傑克每天白天在潘朵拉的叢林中奔跑、飛翔、呼吸，夜裡回到連接艙向柯邁斯彙報情報。
三個月過去了。傑克越來越深地融入了納美人的生活。他馴服了自己的飛行坐騎「伊卡蘭」，學會了用觸鬚與潘朵拉的生命之網相連，感受到了這個星球脈搏般的心跳。他和奈蒂莉在聖樹之下互訴衷腸，按照納美人的方式結為了終身伴侶。
傑克不再知道哪邊才是自己真正的世界。
家園樹的毀滅
RDA等不及了。外交失敗，難得素礦脈就在納美人「家園樹」的正下方。柯邁斯下令摧毀家園樹。
傑克試圖說服納美人撤離，但當奈蒂莉和部落發現他從一開始就是人類的間諜時，他們感到了深深的背叛。傑克和葛蕾絲被綁了起來。在他們眼前，RDA的武裝直升機和推土機逼近了家園樹。催淚彈和導彈齊發。這棵存在了數千年的巨樹在火焰中轟然倒下，無數納美人被壓死或燒死。奈蒂莉的父親——酋長——在倒塌的巨樹下身亡。
葛蕾絲在混亂中被柯邁斯開槍射中，傷勢致命。
傑克知道，說什麼都沒用了。他必須做出選擇。
魅影騎士
傑克做了一件納美傳說中只有五個人做到過的事——他馴服了「魅影」（Toruk），潘朵拉天空中最大最兇猛的飛行生物。騎著這頭紅色巨龍，他飛到了納美人避難的「靈魂之樹」前。
當「魅影騎士」出現時，所有納美人都跪下了。這是最古老的傳說成真。傑克用這份信任，聯合了潘朵拉上所有的納美部落——森林族、平原族、海岸族——組成了一支前所未有的聯軍。
在靈魂之樹下，納美人試圖通過儀式將葛蕾絲的意識永久轉移到她的阿凡達體內。但葛蕾絲傷勢太重，她在儀式中去世。臨終前，她睜開眼睛說：「我看到了她……艾娃。她是真實的。」
最終之戰
柯邁斯發動了總攻。他的目標是摧毀靈魂之樹——納美人信仰和神經網路的核心。一旦這棵樹被毀，納美人將徹底失去與艾娃的聯結。
空中，納美人騎著伊卡蘭與人類的武裝直升機群展開混戰。地面上，納美騎兵衝向機械化步兵和巨型機甲。納美人的弓箭和長矛面對人類的機槍和導彈，傷亡慘重。戰局一度完全倒向人類一方。
然後，潘朵拉自己動了。
成千上萬的野生動物——犀牛般的錘頭雷獸、豹般的坦菲魯、巨大的翼龍——從叢林的四面八方湧出，如潮水般衝向人類的戰線。傑克意識到，這不是巧合——是艾娃，這個星球本身，聽到了納美人的祈禱，做出了回應。
戰局逆轉。人類的軍隊被擊潰。女飛行員楚蒂·查肯（蜜雪兒·羅德里奎茲飾）——從一開始就同情納美人的她——在空戰中駕駛直升機掩護納美人，最終被柯邁斯擊落犧牲。
柯邁斯穿著巨型機甲殺向連接艙，試圖摧毀傑克的人類軀體。奈蒂莉趕到，用兩支箭射穿了柯邁斯的胸膛。她第一次看到了傑克虛弱的人類身體——那個坐在輪椅上、瘦小蒼白的男人。她把他抱在懷裡，說了那句納美人表達最深情感的話：「我看見了你。」
新的開始
人類被驅逐出潘朵拉。士兵和礦工們被押上飛船，遣送回地球。只有少數真正尊重這片土地的科學家被允許留下。
在靈魂之樹下，納美人再次舉行了意識轉移儀式。這一次，傑克永遠離開了他那個癱瘓的人類身體，他的意識完整地轉移進了阿凡達。
傑克睜開了他金色的眼睛。他不再是人類。他是納美人。他是潘朵拉的一部分。