Sam Worthington trong vai Corporal Jake Sully. Sully là một cựu lính thủy đánh bộ bị liệt hai chân và là nhân vật chính trong phim. Anh ấy trở thành một phần của chương trình Avatar sau khi người anh sinh đôi của anh ấy bị giết. Sự giáo dục quân sự của anh ấy giúp anh trở thành một chiến binh Na’vi. Cameron chọn diễn viên người Australia này sau khi tìm kiếm trên toàn thế giới những diễn viên trẻ triển vọng, đồng thời ít nổi tiếng để có thể giảm ngân sách.[27] Worthington lúc đó phải sống trong một chiếc xe hơi,[28] anh đã thử vai hai lần đầu để được chọn,[29] và anh ấy đã ký cho phần tiếp theo của bộ phim.[30] Cameron cảm thấy rằng vì Worthing chưa từng tham gia một bộ phim lớn nào, ông sẽ đưa một nhân vật "có tài năng xứng đáng". Cameron nói rằng "anh ta có tính cáchcủa một người mà bạn có thể mời uống một cốc bia, và anh ta cuối cùng đã trở thành người thay đổi thế giới".[31]
Stephen Lang trong vai Colonel Miles Quaritch. Quaritch là chỉ huy của một nhóm binh lính bảo vệ công ty khai mỏ và là nhân vật phản diện chính của phim. Trung thành với kỷ cương quân đội của mình, ông ta có thành kiến sâu sắc với người dân Pandora và hiển nhiên với cả hành động và lời nói. Lang đã từng không thành công khi thử một vai trong phim Aliens (1986) của Cameron, nhưng người đạo diễn này đã nhớ tới Lang và tìm kiếm ông cho bộ phim "Avatar".[32]Michael Biehn, một diễn viên trong Aliens, đã đọc kịch bản và xem một số đoạn phim 3D với Cameron,[33] nhưng cuối cùng ông không được chọn đóng vai này.
Sigourney Weaver trong vai Dr. Grace Augustine. Augustine là một nhà sinh vật học nghiên cứu ngoài Trái Đất và đứng đầu chương trình Avatar. Cô ấy cố vấn cho Sully và là một người ủng hộ quan hệ hòa bình với người Na’vi, xây dựng một trường học dạy tiếng Anh cho họ.[34][35]
Sigourney Weaver
Michelle Rodriguez trong vai Trudy Chacón. Chacón là một phi công chiến đấu được giao việc hỗ trợ chương trình Avatar, và tỏ ra ủng hộ người Na’vi. Cameron đã muốn làm việc với Rodriguez khi xem cô ấy diễn trong Girlfight.[32]
Michelle Rodrigue
Giovanni Ribisi trong Parker Selfridge. Selfridge là chủ tịch quản lý công ty khai mỏ RDA.[36] Khi lần đầu tiên anh ta có ý định hủy diệt nền văn minh Na’vi để bảo vệ hoạt động của công ty, anh ta miễn cưỡng không muốn ủy quyền cuộc tấn công người Na’vi, chỉ sau khi Quaritch thuyết phục anh rằng việc đó là cần thiết, và vụ tấn công sẽ nhân đạo. Khi cuộc tấn công trình chiếu tại trụ sở công ty, Selfridge đã lộ vẻ không hài lòng với những cảnh bạo lực.
Joel David Moore trong tiến sĩ Norm Spellman. Spellman là một nhà thực vật học[37], anh ta học về đời sống thực vật và động vật như một phần của chương trình Avatar.[38] Anh ấy đến Pandora cùng lúc với Sully điều khiển một bản thể avatar. Mặc dù anh ấy được dự đoán sẽ là người đầu tiên liên hệ ngoại giao với người Na’vi, nhưng hóa ra Jake lại có tính cách tốt hơn và phù hợp để có được sự tôn trọng của người bản xứ.
Dileep Rao trong vai tiến sĩ Max Patel, một nhà khoa học làm việc trong chương trình Avatar và đi theo cuộc nổi dậy của Jake để chống lại tập đoàn RDA.[39]
Người Na’vi
Zoe Saldana trong vai Neytiri, con gái của tộc trưởng người Omaticaya, bộ tộc Na’vi chính yếu trong cốt truyện. Cô ấy bị Jake thu hút vì lòng dũng cảm của anh, mặc dù hơi nản chí khi nhìn thấy sự khờ khạo và ngu ngốc của anh ta. Cô ấy là nhân vật chính thuộc người Na’vi và là người mà Jake yêu.[40] Nhân vật này, như tất cả người Na’vi, được tạo nên bằng cách sử dụng hình ảnh động, và đặc điểm bề ngoài hoàn toàn do máy tính tạo ra.[41] Saldana cũng đã ký hợp đồng đóng phần tiếp theo.[42]
Zoe Saldana
C. C. H. Pounder trong vai Mo'at. Mo'at là người lãnh đạo tâm linh của người Omaticaya, mẹ cả Neytiri, và là vợ của tộc trưởng Eytukan.[43]
Wes Studi trong vai Eytukan. Eytukan là tộc trưởng của Omaticaya, cha của Neytiri, chồng của Mo’at.
Laz Alonso trong vai Tsu'tey. Tsu'tey là người thừa kế ngôi vị tộc trưởng, và khi bắt đầu bộ phim anh ta đã hứa hôn cùng Neytiri.
