Priča započinje na Zemlji. Glavni lik Jake Sully (Sam Worthington), vojnik koji još nije pronašao razlog za što bi se borio, regrutiran je za odlazak na planet Pandora u vrijeme kada je svijet na rubu propasti (gotovo ne postoji niti jedan biljni ili životinjski oblik života, a financijski kolaps je zahvatio sve segmente). Treba zauzeti mjesto svojeg brata koji je poginuo u pokušaju komunikacije s Na'vi vrstom (visoka, mršava i plava bića s dredloksima) koja obitava na planetu Pandora. No, postoje problemi; prvi je to što je Jake invalid (ostao je bez noge tijekom ture kao marinac), a drugi je taj što Na'viji baš i nisu veliki ljubitelji ljudske rase.
Sam Bell ima još dva tjedna do kraja trogodišnjeg ugovora kojeg je potpisao s tvrtkom Lunar Industries. Tijekom te tri godine, Samov posao bio je skupljanje i slanje Heliuma-3 na Zemlju. Budući da nema direktnu komunikaciju sa Zemljom, osim poruka njegove vlastite žene koje s vremena na vrijeme stignu, Samov jedini prijatelj je GERTY, inteligentni kompjuter čija je funkcija brinuti se za njegove dnevne potrebe. Uz gotovo nikakav ljudski kontakt, Sam počinje vjerovati da je tri godine izolacije od ostatka civilizacije previše i uvjeren je da je počeo halucinirati. Sve što želi je vratiti se na Zemlju kako bi uživao sa svojom ženom i trogodišnjom kćerkom koja se rodila netom prije njegova odlaska na Mjesec. Međutim, dva tjedna prije isteka ugovora, Sam doživi nesreću kod jednog od strojeva koji skupljaju Helium-3, a nakon što se probudi otkriva zastrašujuću tajnu koja ga natjera da preispita svoj razum, vlastiti identitet, kompaniju u kojoj radi pa čak i kompjuter GERTY.
U budućnosti u kojoj znanstveni napredak omogućuje postojanje, ljudi će sve aspekte svog života povjeriti sofisticiranim robotima koji se nazivaju Meccas. Emocija je posljednja granica u evoluciji strojeva. Ali kada se napredno robotsko dijete po imenu David programira na ljubav, ljudi nisu spremni za posljedice.
U središtu priče nalazi se odnos oca i sina, koji se proteže kroz virtualni i realni svijet: Sama Flynna (Garrett Hedlund), buntovnog 27-godišnjaka, progoni misteriozni nestanak njegovog oca Kevina Flynna (Oscarom i Grammyjem nagrađeni Jeff Bridges), nekoć najpoznatijeg istraživača virtualnih tehnologija. Istražujući neobičan signal poslan iz laboratorija Flynna starijeg - signal kojeg je mogao poslati jedino njegov otac – Sam biva uvučen u digitalni svijet u kojem je Kevin zarobljen već 20 godina. Uz pomoć neustrašive ratnice Quorre (Olivia Wilde), otac i sin kreću na putovanje kroz vizualno zapanjujući digitalni svijet kojeg je stvorio Kevin, a kojim vlada nemilosrdni nitkov koji neće prezati ni pred čim kako bi spriječio njihov bijeg.
Mlada žena i njen momak daju se u bijeg dok je njihova zemlja zahvaćena neočekivanim ratom s umjetnom inteligencijom. Nekoliko dana prije rođenja njihovog prvog djeteta, moraju preći uporište pobune androida, u nadi da će stići na sigurno područje prije porođaja.