Выход фильма планировался вскоре после «Титаника», в 1999 году, однако сомнения в достаточности развития технологий для полномасштабного моделирования вымышленного мира заставили Камерона на годы отложить работу над фильмом. «Аватар» состоит на 40 % из живой съёмки и на 60 % из реалистичной компьютерной графики. Для создания мира Пандоры понадобилось более петабайта (1024 терабайта) цифрового дискового пространства для хранения всех компьютерно-графических активов фильма (растений и животных, насекомых, скал, гор и облаков и т. д.). Для сравнения, при работе над «Титаником» понадобилось всего 2 терабайта для создания (и затопления) корабля и тысяч пассажиров. Это меньше, чем 1/500 доля объема, использованного для хранения материалов к картине «Аватар».

Другие технологические новшества включают в себя повышенную эффективность на стадии захвата движения, которая в шесть раз больше, чем использовали раньше, а также более усовершенствованный метод захвата выражения лица.

Чтобы создать человеческую колонию, добывающую полезные ископаемые на Пандоре, производственные дизайнеры посетили буровые установки в Мексиканском заливе в июне 2007 года. Они фотографировали, измеряли и снимали каждый аспект, который будет повторен на экране с фотореалистичной CGI. На производстве работало около 1000 человек. Компьютерная графика реализована в фильме технологией «Reality Camera System», в которой использованы микрокамеры, вставленные в шлемы актеров и позволяющие управлять не только мимикой, но и движениями зрачков и век, в результате чего персонажи Кэмерона на экране ожили полностью.

В производстве фильма Джеймсу Кэмерону помогала студия визуальных эффектов «Weta Digital». Стэн Уинстон, который сотрудничал с Кэмероном в прошлом, также участвовал в создании фильма. В сентябре 2006 года было объявлено, что Джеймс Кэмерон, использует в фильме свою собственную технологию «Reality Camera System» для создания фильма в стерео (3D) изображении. Эта система использует две камеры высокого разрешения для создания глубины восприятия. Фотореалистичные компьютерные персонажи моделировались с помощью анимационных технологий «Motion Capture».