A kanadai Kapuskasingban született fiú falta a tudományos-fantasztikus regényeket, tizenöt évesen tízszer nézte meg Stanley Kubrick 2001: Űrodisszeáját, különösen a film látványvilága nyűgözte le. Nem volt kérdés számára, hogy filmrendező lesz, a saját maga által kieszelt sci-fi történeteket apja szuper 8-as kamerájával forgatta (1989-es sikerfilmje, A mélység titka története egy biológia órán ábrándozva fogant meg benne.)

Hollywood bevehetetlennek tűnt a számára, ezért fizikát kezdett hallgatni a kaliforniai Fullerton Főiskolán, aztán az angol irodalomra tért át, de végül félbehagyta tanulmányait. Teherautósofőr lett, az út menti pihenőidőkben forgatókönyveket írt és a Kaliforniai Egyetem könyvtárában a filmszakos diákok diplomamunkáit tanulmányozta. Első rövidfilmjét 1978-ban George Lucas előző évben bemutatott űreposza, a Csillagok háborúja hatása alatt készítette el Xenogenesis címmel. Hollywoodba költözött, makett-építőként bekerült a filmstúdiókba, s a szamárlétrát végigjárva lett művészeti vezető, majd rendező.

1981-ben rendezte első filmjét Piranha 2. - Repülő gyilkosok címmel, a kis költségvetésű horrort a rendező később "megtagadta", ő első filmjének a három évvel későbbi Terminátort tekinti. Cameron a bemutató után megbetegedett és egy rémálom kezdte kínozni, amelyben egy jövőből érkező bérgyilkos tör az életére. A forgatókönyvet egy dollárért adta el azzal a kikötéssel, hogy ő ülhet a rendezői székbe, a főszerepet a testépítő világbajnok Arnold Schwarzeneggerre osztották. Az alacsony költségvetésű akciófilm két hét alatt visszahozta a befektetett pénzt, összességében 78 millió dollárt jövedelmezett és még három folytatása született Cameron közreműködésével.

A rendező 1985-ben megírta Sylvester Stallone Rambo című filmje második részének a forgatókönyvét, majd belefogott A nyolcadik utas: a Halál című sci-fi folytatásába. A bolygó neve: Halál 1986-ban került a mozikba, a főszerepet játszó Sigourney Weavert Oscar-díjra jelölték, a film hét jelöléséből kettőből született díj, az egyiket természetesen a vizuális effektusokért kapta. Cameron 1989-ben diákkori álmát megvalósítva elkészítette A mélység titka című filmjét, amely új korszakot teremtett a víz alatti forgatások történetében.

A rendező Cameron nevéhez fűződik minden idők két legnagyobb kasszasikere: az 1997-ben forgatott Titanic és a 2009-ben készült Avatar, a filmtörténetben csak ez a két alkotás lépte át a bűvös kétmilliárd dolláros álomhatárt. A Leonardo DiCaprio és Kate Winslet főszereplésével készült Titanic csillagászati összegbe, 200 millió dollárba került, egyebek között a tragikus sorsú óriásgőzös életnagyságú mását is megépítették, de az eredmény az aprólékos pontosságra törekvő rendezőt igazolta. Alkotása 11 Oscar-díjat kapott, beállítva a Ben Hur rekordját, Cameron a legjobb rendezőnek a legjobb vágónak és a legjobb filmnek járót vehette át. A rendező 2012-ben az óceánjáró katasztrófájának századik évfordulójára időzítette a film 3D-s változatának premierjét.

A Titanicot képletesen Cameron süllyesztette el Avatar című alkotásával, amely minden idők legnagyobb bevételt produkáló filmje lett. A háromdimenziós kalandfilm a távoli Pandora bolygóra repítette a nézőket, ahol a Nav'ik a túlélésükért küzdenek, mert az emberek szemet vetettek értékes ásványi kincseikre. A 300 millió dolláros költségvetésű alkotás 2009-ben három Oscar-díjat nyert - a rendező ebben az évben volt feleségével, Kathryn Bigelow-val is versengett az Oscar-gálán, és Bigelow A bombák földjével elhalászta előle a legjobb film és a legjobb rendezés díját. Az Avatar diadalmenet persze folytatódott: rendező korábban egyetlen filmmel ekkora bevételre még soha nem tett szert, Cameron 2010-ben a Forbes magazin leggazdagabb színészeket, zenészeket és a szórakoztatóipar más szereplőit összegző listáján a második helyen szerepelt.

A rendező majdnem teljes egészében számítógépes animációra épülő filmjének három folytatását tervezi, amelyek egymást követő években kerülnének a mozikba, az utolsót 2018-ban láthatjuk. Az Avatar világpremierjével egy időben a rendező csillagot kapott a hollywoodi hírességek sétányán, 2010-ben bebocsátást nyert a science-fiction hírességeinek csarnokába, a Visual Effects Society pedig életmű díjjal jutalmazta.

Cameron két kasszasiker között dokumentumfilmeket forgat, hat tenger alatti expedíciót vezetett, többek között a Bismarck német csatahajó roncsaihoz, és háromdimenziós felvételeket készített a közép-atlanti hátság hidrotermikus hasadékairól, merült a Csendes-óceán keleti részén és a Kaliforniai-öbölben is. 2012-ben Deepsea Challenger nevű különleges mini-tengeralattjáróján lejutott a földkéreg legmélyebb részének, a majdnem 11 ezer méter mély Mariana-ároknak az aljára . A különleges eszközt azután a massachusettsi Woods Hole-i Oceanográfiai Intézetnek ajándékozta. Cameron a magánéletben kedves és barátságos, de rendezőként nehéz ember hírében áll: elképzeléseihez a végsőkig ragaszkodik, rendre túllépi a forgatások idő- és pénzkeretét, s hajlamos a dühkitörésekre. A környezetvédelem ügyéért kampányoló, vegán rendező nevét már egy állatfaj is őrzi, egy 2013-ban felfedezett venezuelai békafajt neveztek el róla Pristimantis jamescameroni-nak.