1981年，執導首部電影《食人魚2:繁殖》。1984年，因自編自導科幻電影《終結者》成名。1986年，自編自導電影《異形2》。1991年，憑藉電影《終結者2》獲得第18屆土星獎最佳導演獎以及最佳編劇獎。1994年，執導電影《真實的謊言》。1997年，他執導的電影《泰坦尼克號》取得了18.4億美元的票房，打破全球影史票房紀錄 ；該片在第70屆奧斯卡金像獎上獲得了包括最佳影片在內的11個獎項，詹姆斯·卡梅隆憑藉該片獲得了奧斯卡獎最佳導演獎 。
2005年，他被英國雜誌《Empire》評為「世界最偉大的20位導演之一」。 2009年12月，他執導的科幻電影《阿凡達》上映，該片全球總票房超過27億美元，再次打破了由他自己保持的全球影史票房紀錄 。2010年，入選《時代周刊》評出的「全球最具影響力人物」； [6] 同年他獲得美國視覺效果工會獎終身成就獎。 2011年，獲得美國製片人工會獎里程碑獎
《阿凡達》是一部由詹姆斯·卡梅隆執導，二十世紀福克斯出品，薩姆·沃辛頓、佐伊·索爾達娜和西格妮·韋弗等人主演的科幻電影，該片於2009年12月16日以2D、3D和IMAX-3D三種制式在北美上映。該片主要講述人類穿上阿凡達的軀殼，飛到遙遠的星球潘多拉開採資源。受傷後以輪椅代步的前海軍傑克，自願接受實驗並以他的阿凡達來到潘多拉。在結識了當地納美族人公主涅提妮之後，傑克在一場人類與潘多拉軍民的戰爭中陷入兩難。
本片採用3D技術拍攝，共耗資5億美元製作發行，是電影史上最為昂貴的作品。本片榮獲第82屆奧斯卡最佳攝影、最佳視覺效果、最佳藝術指導等3項大獎。
詹姆斯.卡梅隆執導的《阿凡達》無疑是全球最受歡迎的一部電影，冒險、奇幻為主題的《阿凡達》自2010年在中國上映以來，就獲得了很好的反響，觀眾們看完以後還流連忘返，一直很期待能有第二部。
《阿凡達2》公布了首張拍攝現場的皂片，小演員們聚集在潘多拉星的樹下，他們飾演的將是第一部《阿凡達》中薩姆沃辛頓的「後代」！而這對於卡梅隆的粉絲們來說，無疑是重大利好！不過更加令人震驚的，還是《阿凡達2》所採用的最新技術。據悉，這部電影將採用120幀+激光全息+裸眼3D等多項技術進行拍攝。待到影片上映的2020年12月18日，又將引領好萊塢電影的一場革命
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