새로운 세계, 판도라 행성으로 이주 프로젝트
영화의 배경은 2154년으로 지구의 에너지 고갈 문제가 심각해지자 인류는 황폐한 지구를 떠나 판도라 행성에 묻혀 있는 kg당 2,000만 달러가 넘는 가치를 지닌 ‘언옵타늄’이라는 물질을 캐내려 합니다. 판도라의 대기는 독성을 지녔기 때문에 물질을 채굴하는데 어려움이 있었고 인간은 판도라에서 살 수 있는 나비족에게 인간의 의식을 주입하여 조종이 가능한 '아바타'를 만드는 프로그램을 계획합니다. 판도라 행성에는 원주민 나비족이 살고 있었는데 그들은 3미터가 넘는 키에 파란 피부와 뾰족한 귀를 가졌고 긴 꼬리를 달고 있는 생명체였습니다. 지능은 인간과 비슷했으며 행성의 다른 생명체들과 유대관계를 맺고 자연 섭리에 순응하며 살아갑니다. 판도라 행성엔 그들을 연구하는 직원들과 용병 부대가 상주하면서 그들의 생활습성을 파악하고 있었습니다. 사령관 마일즈 쿼리치(스티븐 랭) 대령은 과거에 해병 대원이었으나 불의의 사고로 하반신이 마비된 제이크 설리에게 이번 프로젝트만 무사히 잘 끝내면 다리를 고칠 수 있는 거액의 돈을 주겠다고 약속했고 제이크 설리는 나비족을 연구하는 그레이스 오거스틴(시고니 위버) 박사와 노엄 스펠만(조엘 무어)을 만나게 됩니다. 두 사람은 전부터 나비족과 연대를 쌓고 있었고 그들과 교류하기 위해 나비족의 외형 유전자와 인간의 유전자 일부를 섞어 아바타를 만들어냅니다. 이들의 신경은 연결되어 있어서 인간이 아바타의 신경에 접속한 상태에서 아바타가 활동하며, 접속이 끊어졌을 때는 잠들어 있는 상태가 됩니다. 과학자였던 형이 사망하자 같은 유전자를 지닌 제이크 설리의 신경을 쌍둥이 형의 유전자로 만든 아바타에 연결합니다. 아바타를 통해 자유롭게 걷게 된 제이크 설리는 신이 납니다. 마일즈 쿼리치 대령은 제이크 설리에게 과거에 해병이었으니 과학자들의 연구에 참석하되, 진행 상황을 자신에게 보고해달라고 일러둡니다. 그렇게 제이크 설리는 나비족과 과학자들에게 2중 스파이가 됩니다.
사랑에 빠진 제이크 설리와 네이티리
프로젝트 팀은 판도라 행성에 진입한 뒤 야생동물에 쫓기게 되면서 제이크 설리 혼자 떨어지게 되었고 우연히 나비족의 여전사 네이티리(조 샐다나)의 도움으로 목숨을 구합니다. 이윽고 그녀는 나비족의 인도자인 에이와(위대한 어머니)의 강한 계시를 느끼고 그녀의 아버지 에이투칸에게 그를 데려가 전사라고 소개한 후 그들과 동화될 수 있게 나비족의 습성에 대해 가르칩니다. 한편, 마일즈 쿼리치 대령은 제이크 설리가 나비족의 일원이 된 것을 알고는 그에게 자원 채굴을 막으려는 나비족을 다른 지역으로 이주시키라고 명령합니다. 제이크 설리는 나비족을 회유하기 위해서 그들과 함께 생활하며 언어와 문화를 배우고, 나비족의 전사가 되기 위해 노력합니다. 그 과정에서 제이크 설리는 나비족인 네이티리와 사랑에 빠지게 되고, 그들의 마음을 십분 이해하게 됩니다. 그러나 쿼리치 대령이 제이크 설리가 네이티리와 사랑에 빠진 것을 알게 되면서 판도라의 자원을 강탈하기 위해 침략합니다.
나비족으로 다시 태어난 제이크 설리
그레이스 박사는 무력으로 판도라 행성의 생태계를 파괴하는 행위를 멈춰야 한다고 주장했지만 무시당합니다. 쿼리치 대령을 막아선 제이크 설리는 인류의 입장에서는 반역자가 되고 맙니다. 그는 나비족을 보호하기 위해 애썼지만 그가 스파이를 자처했다는 사실을 알게 된 나비족들은 배신감을 느끼게 됩니다. 위기가 극에 달할 때 제이크 설리는 나비족 중에 가장 강력한 자로 꼽히는 ‘토루크 막토’가 되어 판도라 행성을 지키기 위해 선두에 섭니다. 결국 거대한 자연 앞에 인류는 무릎 꿇게 됩니다. 쿼리치 대령은 홀로 빠져나와 제이크의 신경과 아바타를 연결해 주는 기계를 망가뜨려 제이크와 아바타의 접속을 끊어버립니다. 제이크는 인간의 몸으로 깨어나게 되고 쿼리치 대령이 제이크의 아바타를 없애려고 하자 네이티리가 그를 사살합니다. 인간의 몸인 제이크와 아바타인 네이티리는 “I SEE YOU”라는 명대사를 남기고 서로의 마음을 확인합니다. 전쟁에 승리한 나비족들은 인간들을 다시 지구에 돌려보내고 이때 너무 어린 쿼리치 대령의 아들 스파이더는 지구로 돌아가지 못하고 판도라 행성에 남게 됩니다. 제이크 설리는 생명의 나무 아이와 아래에서 나비족의 의식을 통해 그는 인간의 육신에 있는 정신을 아바타의 육신으로 완전히 옮깁니다. 그가 인간이 아닌 나비족으로 부활하면서 영화는 끝이 납니다.