Nel 2169, quindici anni dopo gli eventi del primo film, Jake Sully si è ormai integrato nella sua nuova vita su Pandora, ed è ora il capoclan Omaticaya, assieme alla sua compagna Neytiri. I due hanno avuto tre figli, Neteyam, Lo'ak e Tuktirey, detta "Tuk". Inoltre hanno adottato una giovane Na'vi di nome Kiri, concepita inspiegabilmente dall'Avatar della defunta Grace Augustine, e si occupano di un ragazzo umano di nome Miles Socorro, ma chiamato da tutti Spider, figlio del defunto colonnello Miles Quaritch, nato su Pandora e che non è potuto tornare sulla Terra in quanto ancora neonato, ma che è cresciuto dividendosi tra gli scienziati umani rimasti su Pandora e la famiglia Sully, al punto da comprenderne perfettamente la lingua e la cultura, e comportandosi lui stesso come un Na'vi.
Un giorno, però, gli umani fanno ritorno su Pandora per colonizzarla, distruggendo ettari di terra per costruire una nuova base operativa. Tra i nuovi arrivati c'è anche Quaritch, clonato in un corpo Na'vi e dotato degli stessi ricordi del suo sé originale, che aveva caricato su un hard drive prima di morire. In un videomessaggio lasciato prima dello scontro in cui ha perso la vita Quaritch chiede al suo clone di vendicarlo nel caso dovesse morire, indicando Sully come responsabile della rivolta Na'vi.
Un anno dopo il ritorno degli umani su Pandora, Jake e Neytiri, assieme ai guerrieri Omaticaya, conducono operazioni di guerriglia contro i treni che trasportano armi per impadronirsene. A causa delle difficoltà sempre maggiori e dei rifornimenti sempre più scarsi, Quaritch ottiene il permesso dal generale Ardmore, comandante degli umani su Pandora, di avviare una missione speciale di ricerca per rintracciare e uccidere Jake. La squadra riesce a catturare Lo'ak, Tuk, Kiri e Spider. Jake e Neytiri riescono a salvarli, ma Spider viene rapito da Quaritch, che lo riconosce come figlio. Decide quindi di trascorrere del tempo con lui per farlo passare dalla propria parte e Spider gli insegna la cultura Na'vi. Temendo che Spider possa indicare la sua posizione mettendo a rischio tutto il clan, Jake e la sua famiglia lasciano gli Omaticaya e la foresta, chiedendo ospitalità al clan della barriera corallina Metkayina, sulla costa orientale di Pandora, guidata dal capo Tonowari e da sua moglie Ronal. Nonostante alcune diffidenze con la tribù, la famiglia riesce ad ambientarsi apprendendo la cultura locale. In particolare, Kiri sviluppa un legame interiore con il mare e le sue creature e Lo'ak fa amicizia con Tsireya, la figlia del capo tribù.
Lo'ak litiga con il fratello di Tsireya, Aonung, dopo che questi con i suoi amici, comportandosi da bulli, prendono di mira la sorella del ragazzo, definendo Lo'ak e la sorella "mostri" a causa della loro natura mezzosangue, venendo picchiati da Lo'ak e Neteyam come rappresaglia. Quando Lo'ak torna per scusarsi sotto insistenza di Jake, Aonung e i suoi amici, per vendicarsi per essere stati umiliati da dei mezzosangue, lo invitano con l'inganno ad andare a caccia nel territorio di un pericoloso predatore marino, per poi abbandonarlo. Lo'ak viene salvato e fa amicizia con Payakan, un giovane tulkun (una specie di grandi cetacei intelligenti e pacifisti che i Metkayina considerano la loro famiglia spirituale). Al suo ritorno, Lo'ak si prende la colpa per l'accaduto, ottenendo l'amicizia di Aonung: viene però informato dagli altri che Payakan è un emarginato tra la sua specie, poiché si dice abbia ucciso diversi Metkayina e tulkun. Durante un viaggio in un'estensione subacquea dell'Albero delle Anime, Kiri si collega ad esso per incontrare sua madre, ma subisce un violento attacco epilettico. Viene curata da Ronal, ma quando Jake chiama Norm Spellman e Max Patel per chiedere ulteriore aiuto, Quaritch riesce a rintracciarli nell'arcipelago dove vivono gli abitanti della barriera corallina. Portando Spider con sé, requisisce una baleniera che sta dando la caccia ai tulkun per raccogliere i loro enzimi cerebrali, che servono a produrre sostanze per allungare la vita umana. Quaritch inizia a interrogare brutalmente le tribù indigene sulla posizione di Jake, ordinando all'equipaggio di balenieri di uccidere nel frattempo i tulkun per attirare Jake allo scoperto. Lo'ak si collega mentalmente con Payakan, divenendo di conseguenza suo fratello spirituale, e da lì scopre che il tulkun è stato scacciato mesi prima per aver radunato dei suoi simili e dei cacciatori Metkayina e aver attaccato insieme i balenieri che avevano ucciso la sua famiglia, in quanto uccidere è proibito tra la sua specie.
Quando i Metkayina vengono a sapere dei massacri dei tulkun, Lo'ak parte per avvertire Payakan, seguito dai suoi fratelli, Tsireya e Aonung. I ragazzi trovano Payakan inseguito dai balenieri e Lo'ak, Tsireya e Tuk vengono catturati da Quaritch. Con i loro figli in pericolo, Jake, Neytiri e i Metkayina decidono di affrontare gli umani. Quaritch costringe Jake ad arrendersi, ma Payakan attacca i balenieri, innescando un comba