Vào năm 2154, Tập đoàn RDA đang khai thác một loại khoáng sản có giá trị có tên gọi là unobtanium tại Pandora, một hành tinh tươi tốt mang sự sống giống Trái Đất nhưng lại có một bầu khí quyển độc hại cho con người, nằm trong chòm sao Alpha Centauri. Pandora là nơi sinh sống của người Na'vi, cao khoảng 3 m (10 feet), có da màu xanh, có hình dáng và trí óc giống con người. Họ sống hòa hợp với thiên nhiên và tôn thờ Mẹ vĩ đại Eywa.

Để tìm hiểu về người Navi và sinh quyển ở Pandora, các nhà khoa học sử dụng cơ thể người lai Na’vi gọi là các Avatar, được hoạt động thông qua liên kết thần kinh bởi những người có kiểu gen phù hợp. Jake Sully (Sam Worthington), một cựu lính thủy đánh bộ bị liệt 2 chân được gọi đến để thay thế người anh sinh đôi là một nhà khoa học được huấn luyện để trở thành một Avatar nhưng bị giết chết trong một vụ cướp. Tiến sĩ Grace Augustine (Sigourney Weaver), người đứng đầu chương trình Avatar, nghĩ rằng Sully là một chỗ thay thế không thỏa đáng và chỉ phân công anh là một vệ sĩ. Trong khi đang bảo vệ các bản thể Avatar của Grace và nhà khoa học Norm Spellman (Joel David Moore) trên chuyến thám hiểm nhằm thu thập một số mẫu vật sinh học và dữ liệu về rừng, bản thể Avatar của Jake đã bị tấn công bởi một loài động vật ăn thịt gọi là thanator. Khi đang chạy trốn để cứu lấy sinh mạng mình, Jake lạc mất 2 người kia và thất lạc trong rừng rậm. Neytiri (Zoe Saldana), một cô gái người Na'vi, vô tình gặp Jake và bất đắc dĩ giải cứu anh ta khỏi đám động vật hoang dã ở Pandora về đêm. Nhìn thấy những điềm báo từ Eywa, cô đã đưa anh đến gia tộc của mình tại Cây thần; ở đây, Jake gặp cha của Neytiri, tộc trưởng Eytukan (Wes Studi). Mẹ của Neytiri - Mo'at (C. C. H. Pounder), thủ lĩnh tâm linh của cả tộc người, đã lệnh cho con gái của bà phải dạy cho "người trời" cách sống của người Na’vi.

Người chỉ huy Sec-Ops, Lực lượng An ninh riêng của RDA, Colonel Miles Quaritch (Stephen Lang), hứa với Jake rằng công ty sẽ giúp anh có lại đôi chân nếu anh thu thập thông tin tình báo về người Na’vi. Cây thần là nơi giàu khoáng vật unobtanium nhất trên khoảng một trăm dặm. Khi Grace được biết rằng Jake đã đưa thông tin cho Quarich, cô đã tự động di chuyển cùng Jake và Norm đến một tiền đồn xa hơn. Qua ba tháng, Jake đã trở nên gần gũi với Neytiri và người dân ở Pandora. Sau khi Jake được kếp nạp vào bộ tộc, anh và Neytiri chọn nhau trở thành bạn tình. Jake đã lộ ra sự thay đổi về lòng trung thành khi anh cố gắng phá hỏng một chiếc xe ủi của Lực lượng An ninh. Khi Quaritch cho Giám đốc điều hành Parker Selfridge (Giovanni Ribisi), người lãnh đạo tập đoàn RDA, xem một đoạn nhật ký video của Jake, trong đó anh thừa nhận rằng người Na’vi sẽ không bao giờ từ bỏ Cây thần, Selfridge đã ra lệnh phá hủy Cây thần.

Với những lý lẽ của Grace cho rằng phá hủy Cây thần có thể ảnh hưởng đến hệ thực vật và mạng lưới thần kinh mà mỗi người dân Pandora đều được truy cập, Selfridge đã cho Jake và Grace một giờ đồng hồ để thuyết phục người dân Na’vi sơ tán. Khi Jake thú nhận nhiệm vụ ban đầu của anh ấy, Neytiri buộc tội anh là phản bội toàn bộ bộ tộc, rồi bản thể Avatar của Jake và Grace bị trói và nhốt lại. Lực lượng của Quaritch bắt đầu hủy diệt Cây thần, giết cha của Neytiri, và những người dân vô tội khác. Mo’at liền thả tự do cho Jake và Grace, nhưng họ lại bị ngắt kết nối với bản thể Avatar, bị trở lại trụ sở RDA và bị cầm tù. Trudy Chacón (Rodriguez), một phi công ghê tởm với những cách thức tàn bạo của Quaritch, đã giải cứu họ và đưa họ đến tiền đồn để kết nối với bản thể Avatar. Trong khi trốn thoát, Quaritch đã bắn và để lại những vết thương nguy hiểm cho Grace.

Người dân Na’vi vốn có sẵn những mối liên kết với một vài động vật khác. Để lấy lại lòng tin nơi người Na’vi, Jake đã mạo hiểm để liên kết với Toruk, một động vật ăn thịt biết bay vô cùng mạnh mẽ và chỉ được thuần hóa năm lần trong lịch sử Na’vi. Jake tìm thấy những người tị nạn tại Cây Linh hồn và cầu xin Mo’at cứu lấy Grace. Cả bộ tộc cố gắng để chuyển Grace từ cơ thể của cô ấy vào bản thể Avatar với sự trợ giúp của Cây linh hồn, nhưng cô không chịu nổi chấn thương của mình trước khi chuyển đổi hoàn tất và đã chết – "về với Eywa".

Được hỗ trợ bởi tộc trưởng mới của Omaticaya, Tsu'tey (Laz Alonso), Jake tuyển dụng hàng ngàn chiến binh từ các bộ tộc láng giềng. Vào đêm trước trận đánh, Jake cầu nguyện tới Eywa, thông qua kết nối với các Cây linh hồn, để cầu nguyện thay mặt cho người dân Na’vi. Quaritch phát hiện ra việc huy động quân của người Na’vi và thuyết phục Selfridge ủy quyền cho hắn tổ chức một cuộc đánh phủ đầu, tấn công vào Cây linh hồn, tin tưởng rằng việc hủy diệt nó sẽ làm mất tinh thần người bản địa.

Người Na’vi đã tổ chức cuộc phản công nhưng cũng chịu tổn thất rất nặng nề, Tsu’tey và Trudy đã hy sinh. Khi tất cả dường như đều chấm dứt, những động vật hoang dã ở Pandora đột nhiên tham gia vào trận đánh và áp đảo phe "người trời", Neytiry đã hét lên rằng Eywa đã đáp lại lời nguyện cầu của Jake. Jake phá hủy một tàu con thoi sắp chuyển thành tàu đánh bom trước khi nó có thể đến được Cây linh hồn. Quaritch đã tẩu thoát trong tíc tắc từ con tàu của ông ấy trước khi nó bị hủy diệt, và khoác vào người bộ quần áo robot AMP. Ông ta tình cờ thấy được tiền đồn kết nối bản thể Avatar nơi cơ thể người của Jake đang ở đó, làm ngộ độc Jake bởi bầu khí quyển độc hại ở Pandora. Neytiri giết Quaritch và kịp thời gặp Jake để cứu anh ấy. Họ khẳng định một lần nữa tình yêu của mình khi lần đầu tiên cô ấy thấy cơ thể con người của Jake.

Với ngoại lệ là Jake, Norm, Max, và một số nhà khoa học khác, tất cả con người ở Trái Đất đều bị trục xuất khỏi Pandora. Jake mặc bộ đồ tượng trưng cho người lãnh đạo Omaticaya. Cả bộ tộc đã thực hiện nghi lễ riêng biệt cho Eywa để chuyển cơ thể con người của Jake sang bản thể Avatar của anh ấy.

Avatar phần 2, 3 và 4 sẽ nối tiếp câu truyện của Avatar.