Sam Worthington sebagai Korporal Jake Sully. Sully, yang merupakan protagonis filem, adalah seorang bekas Marine kurang upaya yang menjadi sebahagian Program Avatar. Latar belakang tenteranya membolehkan pahlawan Na'vi memahami dia. Cameron memberi watak tersebut kepada pelakon Australia itu selepas ujibakat seluruh dunia untuk mencari pelakon muda yang berbakat, tidak diketahui bagi bagi mengurangkan bajet.[28] Worthington yang tinggal di dalam keretanya semasa itu,[29] diujibakat dua kali sebelum itu,[30] dan dia telah menandatangi kontrak untuk kemungkinan sekuel.[31] Cameron merasakan bahawa kerana Worthington tidak pernah melakukan filem besar, dia akan mejadikan watak itu "kualiti yang benar-benar nyata". Cameron mengatakan "dia mempunyai kualiti untuk menjadi seorang lelaki yang anda pasti ingin minum bir bersama, dan dia akhirnya menjadi pemimpin yang mengubah dunia".[32]
Stephen Lang sebagai Kolonel Miles Quaritch. Quaritch merupakan ketua keselamatan operasi perlombongan RDA. Sangat taat terhadap kod tenteranya, beliau mempunyai sifat mengabaikan penduduk Pandora dan menjadi antagonis utama filem ini. Lang tidak berjaya dalam ujibakat Cameron Aliens (1986), tetapi pengarah tersebut mengingati Lang dan mencari dia Avatar.[33]Michael Biehn, yang belakon didalam Aliens, membaca skrip tersebut dan menonton beberapa sedutan 3D bersama Cameron,[34] tetapi akhirnya tidak deberikan watak tersebut.
Sigourney Weaver sebagai Dr. Grace Augustine. Augustine adalah seroang exobiologist dan ketua Program Avatar. Beliau pembimbing Sully dan juga seorang penyokong hubungan damai dengan kaum Na'vi, dengan mendirikan sebuah sekolah untuk mengajar mereka Bahasa Inggeris.[35][36]
Michelle Rodriguez sebagai Trudy Chacón. Chacón merupakan seorang juruterbang combat ditugaskan untuk memebantu Program Avatar dan juga menunjukkan perasaan simpati terhadap kaum Na'vi. Cameron mahu bekerja dengan Rodriguez selepas menontonnya dalam filem Girlfight.[33]
Giovanni Ribisi sebagai Parker Selfridge. Selfridge merupakan penyelia korporat operasi perlombongan RDA dan salah seorang daripada antagonis filem. [37] Walaupuan menjadi manusia yang bertanggungjawab terhadap projek perlombongan tersebut, dia hanya enggan meluluskan terhadap kaum Na'vi setelah dipujuk Quaritch bahawa serangan itu adalah perlu, dan serangan itu berperikemanusiaan. Apabila serangan itu dipancarkan ke pangkalan, Selfridge kelihatan tidak selesa melihat keganasan tersebut.
Joel David Moore sebagai Norm Spellman. Spellman adalah seorang anthropologist[38] yang mengaji kehidupan tumbuhan dan alam didalam Program Avatar. Beliau tiba di Pandora pada masa yang sama dengan Sully dan mengendalikan sebuah badan avatar. Walaupun dia diharapkan memimpin hubungan diplomatik dengan kaum Na'vi, ternyata bahawa Jake mempunyai keperibadian lebih untuk memenangi menghormatan penduduk
Dileep Rao sebagai Dr. Max Patel, seorang ahli saintis yang bekerja dalam Program Avatar.[39]
Na'vi
Zoe Saldana sebagai Neytiri. Neytiri adalah protagonis wanita Na'vi, anak raja perempuan Omaticaya, kaum Na'vi puak utama cerita ini, yang tertarik kepada Jake oleh keberaniannya. [40] Watak tersebut, seperti semua Na'vi, dicipta melaluiperformance capture, dan aspek visual sepenuhnya dihasilkan komputer.[41] Saldana juga telah menandatangi kontrak untuk kemungkinan sekuel.[42]
C. C. H. Pounder sebagai Mo'at. Mo'at merupakan ketau spiritual puak Omaticaya, ibu Neytiri, dan permaisuri kepada ketua puak, Eytucan.[43]
Laz Alonso sebagai Tsu'tey. Tsu'tey adalah pewaris takhta puak, dan pada permulaan cerita filem, dia bertunang kepada Neytiri.
Wes Studi sebagai Eytucan. Eytucan ialah ketua kaum Omaticaya, bapa Neytiri dan teman Mo'at.
