Quand on lui demande comment en est il venu à cette histoire, Cameron répond : « mon inspiration est chaque livre de science fiction que j’ai lu étant petit. Plus quelques-uns qui n’étaient pas de la science fiction ».
James Cameron a déclaré s’être inspiré de livres d’aventures se déroulant dans la jungle, tels que ceux écrit par Edgar Rice Burroughs (1875-1950) et H. Rider Haggard (1856-1925). Edgar Rice Burroughs est le créateur de Tarzan mais aussi de John Carter of Mars de la série cycle de Mars. H. Rider Haggard quant à lui est le créateur d’Allan Quatermain, le héros des Mines du Roi Salomon, identifié comme l’un des modèles au personnage d’Indiana Jones dans Les Aventuriers de l’arche perdue de Steven Spielberg et George Lucas.
James Cameron dit lui-même qu’Avatar partage des sujets avec les films En liberté dans les champs du seigneur et La Forêt d’émeraude, qui montrent les heurts entre les cultures et les civilisations, et reconnaît le lien avec Danse avec les loups où un soldat se fond dans la culture qu’il combattait préalablement.
L’apparence des Na’vi, les personnages natifs du monde dépeint dans le film, a été inspirée d’un rêve que la mère de Cameron avait fait longtemps avant qu’il n'écrive Avatar. Elle avait rêvé d’une femme bleue de 12 pieds de haut et James Cameron se disait : « C’est une image cool ! ». C’est ainsi qu’en 1976 ou 1977, il mit dans son premier scénario une planète avec une population autochtone « sublime » à la peau bleue ayant une taille de 12 pieds, ce qui constituera plus tard la base du peuple Na’vi dans Avatar. Concernant le choix du bleu pour la couleur de peau des Na’vi, Cameron dit : « J’aime simplement le bleu. C’est une bonne couleur… de plus, il y a un rapport avec les dieux hindous ce qui me plait sur le plan conceptuel. »
Pour créer les montagnes flottantes « Hallelujah », les décorateurs se sont inspirés de « nombreux types de montagnes, mais principalement des formations karstiques situées en Chine ». D’après le chef décorateur Dylan Cole, les roches suspendues du film ont été directement inspirées du Huang Shan, également connu sous le nom de Mont Huang, et de montagnes de la province du Hunan province, parmi d’autres à travers le monde. Cameron déclara lors d’une conférence de presse à Pékin « Tout ce que nous avons eu à faire est de simplement recréer la montagne Huangshan dans l’espace ». Lorsqu’on lui demande si l’idée des montagnes flottantes ne proviendrait pas de la couverture d’un album du groupe de rock Yes, il répond en riant « Cela aurait pu… au temps où je fumais du cannabis. »
Afin de créer l’intérieur de la colonie minière humaine sur Pandora, les designers ont visité la plateforme de forage Noble Clyde Boudreaux située dans le Golfe du Mexique durant le mois de juillet 2007. Ils ont photographié, mesuré et filmé chaque détail de la foreuse, qui fut ensuite reproduite en image de synthèse durant la post-production.
De nombreuses créatures imaginaires de Pandora ont été inspirées des créatures sous-marines que Cameron a pu observer lors de ses plongées, notamment lors du tournage de son documentaire Aliens of the Deep en 2005. Ainsi les plantes Helicoradian, qui se rétractent en un clin d’œil au moindre contact, sont inspirées de Spirobranchus giganteus, une espèce de ver tubicole commun dans les mers du monde entier. Et l’idée d’un monde bioluminescent, où les organismes vivants produisent et émettent de la lumière vient également de ce que Cameron a pu observer dans les océans. Un des morceaux de la bande originale est d’ailleurs dénommé The Bioluminescence of the Night.
Pour l’histoire d’amour entre les personnages Jake et Neytiri, Cameron a appliqué un thème de l’amour impossible à la manière de Shakespeare et reconnait sa ressemblance avec le couple Jack et Rose de Titanic. Dans les deux couples, on retrouve les origines radicalement différentes des deux personnages qui sont obligés de choisir entre les deux communautés. « Ils tombent amoureux l’un de l’autre, Mais ils doivent combattre côte-à-côte, et il y a ce genre de nécessité à laisser partir l’autre personne afin de pouvoir faire ce que vous devez faire, ce qui est très intéressant » Bien que Cameron jugea bon de ne pas faire tomber amoureux Jake et Neytiri immédiatement, Worthington et Saldana, les acteurs, désapprouvèrent. Cameron déclara que Worthington et Saldana « avaient une grande alchimie » pendant le tournage.
D’après certains professionnels et critiques de cinéma, les références ci dessous sont de plausibles sources d’inspiration, mais elles n’ont pas été reconnues ou confirmées comme telles par Cameron.
Le magazine Première cite, entre autres, les bandes dessinées Aquablue, Sillage et Valérian et Laureline. Aquablue présente un scénario similaire sur le plan de la critique du colonialisme et des idées écologistes, le tout dans un contexte futuriste de colonisation de l’espace : les corps expéditionnaires de la Légion protégeant la Texec d’Aquablue ressemblent au consortium Resources Development Administration (RDA) d’Avatar, l’exosquelette motorisé lourd utilisé par les soldats des deux univers également. Les Na’vis présentent des similitudes morphologiques et anthropomorphiques, dont une peau bleue, avec celle du peuple autochtone d’Aquablue. Sillage a une thématique similaire ainsi que le nom de l’héroïne, Nävis, homophone des indigènes pandoriens. Le premier tome de Sillage met en scène la destruction d'un arbre géant sous lequel vivait Nävis.
L’Express met en avant la ressemblance entre l’histoire d’Avatar et celle de Pocahontas la princesse powhatan tombant amoureuse d’un envahisseur qui après avoir découvert sa culture se range au côté des autochtones contre le despotisme des colons, thème repris dans le film Danse avec les loups. Première cite également les films Danse avec les loups, La Guerre des étoiles, La flèche brisée, James Cameron ayant admis être « très influencé par les westerns classiques ». Le magazine cite également comme références plausibles les réalisateurs Terrence Malick (La Ligne Rouge et Le Nouveau Monde) et Hayao Miyazaki (Nausicaä de la vallée du vent, Le Château dans le ciel, Princesse Mononoké et Mon voisin Totoro).
En 1994, James Cameron écrit un script de 80 pages pour Avatar en seulement deux semaines. En août 1996, il annonce qu’après avoir terminé Titanic il tournera le film Avatar, qui mettra en scène des acteurs en image de synthèse. Il estime alors que le projet coutera 100 millions de dollars et emploiera au moins 6 acteurs pour les rôles principaux « qui sembleront vrais mais n’existeront pas physiquement dans le monde réel ». Digital Domain, une société spécialisée dans les effets spéciaux numériques avec laquelle Cameron est associée rejoint le projet. La production est supposé démarrer au cours de l’été 1997, pour une sortie en 1999 Cependant, Cameron estime que la technologie existante alors ne lui permettra pas de donner vie de façon satisfaisante à sa vision de l’histoire (décision renforcée par l'échec commercial du film Final Fantasy, film entièrement réalisé en images de synthèse). Il décide alors de mettre en suspens le projet en attendant que la technique s’améliore.
En juin 2005, Cameron annonce être en train de travailler sur un projet nommé temporairement Project 880, parallèlement avec un autre projet, Battle Angel, film tiré du manga Gunnm. Puis, on apprend que la 20th Century Fox a avancé 10 millions de dollars à Cameron afin qu’il tourne un clip montrant le monde d’Avatar. La vidéo est présentée aux dirigeants de la Fox en octobre 2005. En décembre, Cameron déclare qu’il prévoit d’abord de réaliser Battle Angel pour une sortie mi 2007, puis son Project 880 pour une sortie en 2009. En février 2006, Cameron annonce qu’il intervertit les priorités sur ses deux projets - Project 880 devrait sortir en 2007 et Battle Angel en 2009. Il précise que la sortie de Project 880 pourrait être repoussée à 2008.
En février 2006, Cameron révèle que le Project 880 est en fait une « version retravaillée d’Avatar », un film qu’il a tenté de faire quelques années plus tôt et qu’il pense pouvoir enfin réaliser, grâce aux avancées technologiques dans le domaine de l’animation des personnages en images de synthèse, citant notamment Gollum dans la trilogie du Seigneur des anneaux de Peter Jackson, King Kong du même réalisateur, et Davy Jones de la série Pirates des Caraïbes.
Cameron choisit de réaliser d’abord Avatar plutôt que Battle Angel après avoir effectué l’année précédente un test caméra de cinq jours. Son script initial qu’on pouvait jusqu’alors trouver sur Internet depuis des années semble alors avoir disparu de la circulation.
De janvier à avril 2006, Cameron travailla sur le script et créa une culture pour les Na’vis. Leur langage est créée par Paul Frommer, un professeur de la Marshall School of Business (Californie) titulaire d’un doctorat en linguistique, également enseignant à l’Université de Californie du Sud. La langue na’vi possède un vocabulaire d’environ 1 000 mots, dont une trentaine ajoutées par Cameron. Elle utilise des consonnes éjectives [pʼ tʼ kʼ], épelées px, tx, kx que l’on retrouve dans la langue Amharique en Éthiopie, et les initiales « ng » que Cameron a pu emprunter à la langue Māori. Sigourney Weaver et les scénographes ont rencontré Jodie S. Holt, professeur en physiologie des plantes à l’Université de Californie à Riverside, afin d’apprendre les méthodes utilisées par les botanistes pour étudier et collecter les plantes, et pour discuter les façons d’expliquer la communication entre les organismes sur Pandora.
En juillet 2006, Cameron annonce qu’Avatar devrait sortir mi-2008 et qu’il commencera la photographie avec le casting définitif en février 2007. En août, le studio d’effets visuels Weta Digital signe avec Cameron. Stan Winston, qui a déjà collaboré avec Cameron par le passé, rejoint l’équipe pour travailler sur les décors du film. La recherche et création des lieux et des décors du film a duré plusieurs années. Deux chefs décorateurs ont travaillé sur le film, ainsi que deux départements artistiques différents, l’un travaillant sur la flore et la faune de Pandora, l’autre sur les humains et leurs machines.
En septembre 2006, Cameron annonce qu’il utilise une caméra de son invention, une Fusion Camera System modifiée, afin de filmer les scènes d’Avatar en 3-D. Le système utilise deux caméras haute définition Sony HDC-F950 HD reliées entre elles afin de reproduire la vision stéréoscopique due à la séparation entre les yeux humains.
Pendant ce temps, la Fox est en proie au doute à cause de l’expérience douloureuse du tournage du dernier long métrage de Cameron, le Titanic, où celui-ci avait accumulé les dépassements de budgets et les retards. Cameron réécrit le script d’Avatar afin de réduire le nombre de protagonistes, propose de diminuer son cachet en cas d’échec commercial et installe un feu tricolore bloqué sur l’orange a côté du bureau du co-producteur Jon Landau pour faire prendre conscience à tous du futur incertain du projet. Mi-2006, la Fox fait savoir à Cameron « en termes on ne peut plus clairs qu’ils ne financeront pas le film ». Il commence alors à faire le tour d’autres studios et montre sa preuve de concept à Dick Cook, alors président de Walt Disney. Toutefois, au moment où Disney tente de s’engager, Fox exerce son droit de préemption, lui permettant d’obtenir un délai. En octobre 2006, la Fox accepte finalement de co-financer Avatar, après que le studio Ingenious Media s’est aussi engagé, réduisant l’exposition financière de la Fox à moins de la moitié du budget officiel de 237 millions de dollars. À partir de ce moment, Cameron et Landau font passer leur feu au vert. En décembre 2006, Cameron décrit Avatar comme « un conte futuriste prenant place sur une planète d’ici 200 ans… une aventure dans la jungle à l’ancienne avec une conscience environnementale… qui tend vers un degré mythique de narration ». En janvier 2007, la presse décrit le film ainsi : « Avatar est aussi un voyage émotionnel sur la rédemption et la révolution. C’est l’histoire d’un ancien marine blessé, poussé à coloniser et à exploiter une planète exotique riche en biodiversité, qui finalement se retrouve à la tête des indigènes dans une bataille pour leur survie » et « Nous avons créé un monde entier, un écosystème complet de plantes et de créatures fantasmagoriques, et un peuple natif avec une riche culture et un langage. »
Selon les sources, le budget du film est estimé entre environ 280 et 310 millions de dollars pour les coûts de production, et 150 millions de dollars pour le marketing. Toutefois, un porte-parole du studio interviewé sur le site internet The Wrap, annonça que le budget du film « est de 237 millions, plus 150 millions pour la promotion, fin de l’histoire. »
Le tournage d’Avatar commence en avril 2007 à Los Angeles et à Wellington, capitale de la Nouvelle-Zélande. Cameron décrit le film comme un hybride avec des scènes tournées de façon classique et d’autres avec des personnages et un environnement générés par ordinateur : « Idéalement l’audience n’aura aucune idée de ce qu’elle est en train de regarder. » Il indique qu’il a déjà travaillé quatre mois sur des scènes secondaires du film. Les scènes classiques sont filmées avec une version modifiée de la Fusion Camera System développée par Cameron et Vince Pace. En janvier 2007, la Fox annonce que le tournage en 3-D sera fait à raison de 24 images par seconde, en dépit de l’avis de Cameron qui pense qu’un film en 3-D nécessite une cadence plus importante afin de rendre l’effet stroboscopique moins notable. D’après Cameron, le film est composé à 60 % d’images de synthèse et à 40 % de scènes tournées en direct avec des maquettes miniatures traditionnelles.
Le tournage en motion capture (ou mocap), qui permet de capter les mouvements des acteurs afin de les retranscrire en images de synthèse dans un univers virtuel, dura 31 jours et se déroula sur la scène de la Hughes Aircraft Company à Playa Vista, Los Angeles, en Californie. Plus d’un milliers de personnes participèrent au tournage. Afin de préparer certaines séquences, tous les acteurs subirent un entrainement spécifique selon les compétences de leurs personnages, telles que le tir à l’arc, l’équitation, le maniement des armes à feu et le combat à mains nues. Il reçurent également un apprentissage de la langue Na’vi crée spécialement pour le film. Avant de débuter le tournage, Cameron envoya également tous les acteurs dans la jungle à Hawaï afin qu’ils ressentent par eux-mêmes l’ambiance d’une forêt tropicale humide avant le tournage en studio.
Durant le tournage, Cameron utilise une technique permettant une conception novatrice de la mise en scène dans le domaine du motion-capture et du cinéma virtuel. Il demande à Rob Legato de lui concevoir un système de caméra virtuelle, dénommé le « Director Centric System », qui permet au réalisateur de se projeter dans l’univers virtuel et de visualiser en temps réel les personnages en images de synthèses créés à partir des données provenant de ses comédiens lors de la capture de mouvements. Legato avait déjà expérimentée une version basique de ce système sur les scènes du crash d’avion de Aviator de Martin Scorsese. Et Steven Spielberg avait déjà testé le principe de la « simulcam » sur le tournage de A.I. Intelligence artificielle. En pratique, le réalisateur tient une sorte de caméra dénuée d’objectif, marquée pour être repérée dans l’espace par les capteurs employés pour la capture de mouvements, constituée d’un cadre et d’un moniteur sur lequel est diffusé en temps réel une version basique du décor et des personnages en images de synthèses, permettant à Cameron de contrôler que le cadre reste correct. Cameron décrit le système comme une « forme de pure création où si vous voulez déplacer un arbre ou une montagne ou le ciel, ou changer l’heure de la journée, vous avez un contrôle complet sur les éléments. ». Cameron donna l’occasion à Steven Spielberg et à Peter Jackson de tester la nouvelle technologie. Spielberg et George Lucas avaient déjà rendu visite à Cameron sur le plateau lors du tournage.
Un certain nombre d’effets spéciaux innovants ont été utilisés sur le tournage d’Avatar. D’après Cameron, le film était reporté depuis les années 1990 dans l’attente que la technologie atteigne un niveau d’avancement suffisant pour dépeindre fidèlement sa vision de Pandora et de ses habitants. Le réalisateur avait prévu d’utiliser des personnages de synthèse photo-réalistes, crées avec les nouvelles techniques d’animation de motion-capture développées dans les 14 mois précédant décembre 2006.
Les innovations incluent un nouveau système pour éclairer de grandes zones telle que la jungle de Pandora, « The Volume », une pièce dédiée au motion-capture six fois plus grande que n’importe qu’elle autre pièce jamais utilisée, et une méthode améliorée pour la capture des expressions faciales des acteurs, permettant non plus une simple capture de mouvement, mais une capture de performance. Pour cela, les acteurs portent une sorte de cagoule sur laquelle est fixée une petite caméra filmant de près et en détails chaque mouvement de leur visage et de leur yeux. D’après Cameron, cette méthode permet au réalisateur de transférer 100 % des performances physiques des acteurs à leurs équivalents numériques. De plus, durant le mocap, de nombreuses caméras permettent d’enregistrer de multiples angles de vue de chaque performance. Un certain nombre de scènes ont été particulièrement difficiles à réaliser. Richard Baneham, un des superviseurs de l’animation, cite la séquence où Jake sous forme humaine est porté par Neytiri.
Le principal studio à avoir travaillé sur les effets spéciaux est Weta Digital, crée par Peter Jackson et installé à Wellington en Nouvelle-Zélande, employant à un moment donné 900 personnes. Pour réaliser Avatar, Weta a utilisé un centre de traitement de données de 10 000 square foot, utilisant 4 000 serveurs Hewlett-Packard représentant 35 000 processeurs, plaçant le centre de traitement entre la 193e et la 197e place du TOP500, projet de classification des 500 premiers supercalculateurs connus au monde. Créer les personnages Na’vi et le monde virtuel de Pandora a nécessité plus d’un petaoctet de mémoire et chaque minute du film représente 17,28 gigaoctets. Pour pouvoir respecter les délais, d’autres équipes ont rejoint Weta telles que Industrial Light & Magic, qui travailla notamment sur les scènes de la bataille finale. ILM a pris en charge les effets spéciaux d’un grand nombre des véhicules du film et a conçu une nouvelle façon de réaliser les explosions en images de synthèse. Joe Letteri a été le superviseur général des effets spéciaux sur le film.
Avatar est pour James Cameron avant tout un voyage d’aventure et d’action et de découverte de soi dans un contexte de biodiversité et d’impérialisme. « Impérialisme dans le sens où l’histoire humaine a toujours fonctionné, c’est-à-dire que le peuple avec le plus de puissance militaire ou technologique a tendance à supplanter ou détruire les peuples qui sont plus faibles, généralement pour leurs ressources. » James Cameron compare même avec l’époque présente où l’augmentation de la population et le manque de ressources dont le pétrole fera « que nous nous battrons de plus en plus pour de moins en moins. »
Avatar possède de vives scènes de combat mais c’est également un film sur la paix, qui pour James Cameron peut être atteinte « grâce à une puissance de feu supérieure mais d’un autre côté je déteste l’abus de pouvoir et l’impérialisme rampant déguisé en patriotisme. Certains sujets que vous ne pouvez pas soulever sans être qualifié d’antipatriotisme mais je pense que c’est très patriotique de remettre en question un système qui a besoin de limite, ou il devient Rome ». Au festival Comic Con de 2009, Cameron a dit aux participants qu’il voulait faire « quelque chose qui a cette cuillerée à soupe de sucre de toute l’action et de l’aventure et tout ça. » Il voulait que ça le fasse frissonner « comme un fan » mais aussi avoir une conscience « que peut-être dans l’appréciation de ce qui nous fait réfléchir sur notre façon d’interagir avec la nature et notre prochain. » Il ajoute que « les Na’vi représentent en quelque sorte notre « Moi » supérieur, ou nos propres aspirations, ce que nous aimerions penser que nous sommes. » et Cameron dit que même s’il y a de bons humains dans le film, les humains « représentent ce que nous pouvons être avec ces parts de nous-mêmes qui détruisent notre monde et peuvent même condamner notre futur. »
Cameron a reconnu que Avatar critique implicitement la guerre en Irak des États-Unis et la nature impersonnelle de la guerre en général. En référence à l’utilisation du terme de « choc et effroi » dans le film, qui est une doctrine militaire américaine, Cameron a déclaré « Nous savons ce que c’est que de lancer des missiles. Nous ne savons pas à quoi cela ressemble d’en recevoir sur notre sol à domicile, pas en Amérique. » Dans une interview suivante cependant, Cameron dit que « Le film n’est absolument pas anti-Américain. » et dans une autre que « Cela peut être une histoire de lutte contre un pouvoir cruel aussi classique que Star Wars.(…) Vous pouvez l’interpréter de beaucoup, beaucoup, de manières différentes. Les méchants peuvent être l’Amérique dans ce film, ou les bons. Cela dépend de votre perspective. »
Une scène dans le film dépeint la violente destruction de l’arbre-foyer des Na’vi, qui s’écroule en flammes après une attaque de missiles, recouvrant le paysage de cendres. Quand on lui parle de la ressemblance visuelle de cette scène avec les événements du 11 septembre 2001 sur le World Trade Center, Cameron dit avoir été surpris de cette troublante ressemblance. Dans cette même séquence le colonel Miles Quaritch parle des Walkyries, il s’agit d’une allusion à l’attaque héliportée du film Apocalypse Now, au son de la musique de la Chevauchée des Walkyries.
Dans une interview du Times magazine, Cameron a abordé le sujet de la signification du titre du film en répondant à la question « Qu’est-ce qu’un avatar, au juste ? » Il répondit ainsi : « C’est une incarnation d’un des dieux indiens prenant une forme charnelle. Dans ce film, cela signifie que la technologie de l’homme à l’avenir sera capable d’insuffler l’intelligence d’un humain dans un corps situé à distance, un corps biologique. »
Avatar renvoie aussi aux exactions commises actuellement sur les peuples indigènes qui subissent « la discrimination d’un monde qui pense qu’ils sont primitifs et attardés parce qu’ils n’aspirent pas au mode de vie des pays industrialisés et choisissent souvent, comme ils le font depuis des millénaires, de ne dépendre que de leur environnement naturel pour survivre. » L’ONG Survival International a recueilli des témoignages de représentants de ces peuples qui ont visionné le film et le parallélisme dans leur discours est plus que troublant. Ainsi pour les Punan de Bornéo : « Les Na’vi d’Avatar se lamentent parce que leur forêt est détruite. Il en est de même pour nous, les Punan. Les compagnies d’exploitation forestière abattent nos grands arbres, polluent nos rivières et font disparaître notre gibier ». Les réactions sont les mêmes chez les Bushmen d’Afrique australe qui indiquent que « La terre et les Bushmen sont indissociables » et les Yanomami de la forêt amazonienne. Les Maoris ont inspiré à James Cameron le dialecte des Na’vis. Pour James Cameron, une des idées principale du film est qu’il « nous interroge sur le fait que tout est lié, les êtres humains les uns aux autres et chacun de nous à la Terre ».
La bande originale d’Avatar a été créée par le compositeur américain James Horner, qui avait déjà travaillé avec James Cameron sur les films Aliens, le retour et Titanic. Elle se compose de quatorze titres, d’une durée de 1 h 14.