Известность пришла к Кэмерону в 1984 году, благодаря фильму «Терминатор». Образ Терминатора привиделся Кэмерону во сне, во время болезни гриппом. В бреду он увидел женщину, спасающуюся от кошмарного существа, изменяющего свою форму в зависимости от обстоятельств и имеющего светящиеся красные глаза. Сценарий приглянулся многим кинокомпаниям, однако никто не хотел связываться с начинающим режиссёром. В итоге он был продан будущей жене Кэмерона продюсеру Гэйл Энн Херд за символическую плату в один доллар при условии, что она не будет снимать этот фильм с другим режиссёром.
Располагая небольшим по меркам 1980-х годов бюджетом в 6 миллионов долларов, Кэмерону удалось создать фильм, до настоящего времени остающийся эталоном жанра.
Далее Кэмерон замахнулся на продолжение культового научно-фантастического триллера Ридли Скотта «Чужой». Несмотря на то, что вторая серия получилась скорее боевиком, нежели триллером, фильм имел большой успех, а исполнительница главной роли Сигурни Уивер даже получила номинацию на «Оскар» (уникальный случай для боевика).
В основу сценария следующего фильма («Бездна») легла история рабочих-подводников, которые обнаруживают под водой странных существ внеземного происхождения. Бюджет фильма составил 70 млн долларов, так что этот фильм стал одним из самых дорогих на то время. Значительная часть денег ушла на проведение подводных съёмок (опять же, спецэффекты ещё не были настолько продвинутыми, чтобы имитировать подводный мир в киностудии). Для этого неоконченная электростанция была превращена в гигантский резервуар и заполнена несметным количеством воды. Фильм собрал только 54,2 млн долларов и получил не самые лестные отзывы от критиков, однако был удостоен «Оскара» за лучшие спецэффекты. Позже, в 1992 году, Кэмерон выпустил специальную режиссёрскую версию фильма, содержащую некоторые удалённые сцены, которые позволяют лучше понять его сюжет.
После успеха «Терминатора» сразу же начались разговоры о его продолжении. Однако Кэмерон не торопился с этим, ожидая пока спецэффекты достигнут такого уровня, который позволит ему создать жидкометаллического робота. Выход «Терминатора 2» задерживала, кроме того, ещё и запутанная ситуация с авторскими правами. Наконец они достались продюсеру Марио Кассару из Carolco Pictures, и Кэмерон получил возможность приступить к работе.
На сей раз он мог развернуться во всю мощь. Если в первом фильме весь бюджет составлял 6 миллионов, то во втором примерно такая же сумма пошла только на спецэффекты. Сцены с элементами морфинга занимают в картине в общей сложности три с половиной минуты, но на них ушло восемь месяцев работы. Марио Кассар вначале выделил Кэмерону 70 миллионов долларов (для 1991 года это была неслыханная сумма), но этого оказалось мало и итоговый бюджет фильма составил 100 миллионов. При этом «Терминатор 2: Судный день» многократно окупился в прокате, собрав 205 млн долларов в США и 315 млн — за рубежом. Кроме того, он получил четырёх «Оскаров»: за лучший грим, звук, звуковые и визуальные эффекты. Пожалуй, не будет преувеличением сказать, что «Терминатор 2» является одним из самых успешных сиквелов в истории кино.
В 1994 году Кэмерон взялся за съёмки шпионского боевика «Правдивая ложь». При бюджете в 100 млн долларов фильм собрал 146 млн долларов в Северной Америке и 232 млн за рубежом. Главную роль в этом фильме исполнил всё тот же Шварценеггер, для которого она стала настоящей отдушиной после провала его предыдущей картины «Последний киногерой».
Настоящим триумфом для Кэмерона стала эпическая картина «Титаник», снятая в 1997 году, с Леонардо Ди Каприо, Кейт Уинслет и Билли Зейном в главных ролях. «Титаник» до начала 2010 года являлся самым кассовым фильмом в истории кино. При затратах в 200 млн долларов (самый дорогой проект на то время) фильм собрал по всему миру 1,8 млрд долларов кассовых сборов, а чистая прибыль составила более 700 млн долларов. Фильм был удостоен 11 «Оскаров», в том числе в номинациях «Лучший фильм» и «Лучший режиссёр». На церемонии вручения «Оскаров» за фильм «Титаник» Кэмерон, поднявшись на сцену, прокричал фразу, которую в фильме произносит Джек Доусон: «I am the king of the world!» («Я — король мира!»). Рекорд кассовых сборов «Титаника» был побит в 2010 году ещё одной картиной Кэмерона.
После Титаника Кэмерон занялся телевизионными сериалами и документалистикой.
Из фильмов, режиссёром которых мог бы стать, но не стал Кэмерон, следует отметить «Человека-паука», «Трансформеров» и, конечно же, «Терминатора 3». От последнего Кэмерон упорно отказывался, потому что хотел снимать оригинальное, независимое кино, а не «срывать банк на средствах фанатов франчайза», и полагал, что сказал всё, что хотел в первых двух фильмах. Однако, на одной из пресс-конференций он неожиданно заявил, что возьмётся за этот фильм при двух условиях:
Хэмилтон, в свою очередь, отказывалась сниматься без Кэмерона, а также была недовольна «написанным без души» сценарием и не хотела оставаться актрисой одной роли. По этим и другим причинам «Терминатор 3» был снят Джонатаном Мостоу.
Фильм «Аватар» студии 20th Century Fox погрузил зрителей в события, главным героем которых стал бывший морской пехотинец, парализованный Джейк Салли, которого приглашают работать оператором аватара — генетического гибрида человека и коренного пандорианца — вместо погибшего брата-учёного. Ветеран войны прибывает на планету Пандора, населенную гуманоидной расой На’Ви. Землянин оказывается в центре конфликта родной и местной культур, означающего начало смертельно опасных приключений. Премьера фильма «Аватар» состоялась в России 17 декабря 2009 года. Аватар стал новым триумфом режиссёра. К 1 сентября 2010 года кассовые сборы картины во всем мире составили 2,8 млрд долларов, что явилось новым рекордом кассовых сборов за всю историю, оставив «Титаник» позади (кассовые сборы в мире 1,8 млрд. USD).
У Джеймса Кэмерона есть любимые актёры, снявшиеся в нескольких его фильмах, а именно: