Дебютирует в качестве режиссера Кэмерон в 1981 году с фильмом «Пираньи 2: Нерест» (1981), съемки которого проходили в Италии, славы этот фильм режиссеру не принес. Зато вторая его работа «Терминатор» (1984), вышедшая на экраны через три года, и причисленная в наши дни к классике фантастического кинематографа, приносит режиссеру славу и богатство, о которых до этого он мог только мечтать. Оглушительный успех малобюджетной ленты открывает череду последующих успехов режиссера. Вышедшая на экран в 1986 году фантастическая лента «Чужие», являющаяся продолжением фильма «Чужой» (1979), также становится суперхитом, благодаря чему, в выборе своего следующего фильма Кэмерону предоставляют полную свободу.

Поступивший в прокат в 1989 году фантастический фильм на подводную тематику «Бездна», на то время, имел самый большой бюджет среди фильмов аналогичной тематики. Однако, несмотря на свой размах, особого успеха в прокате фильм не получает. Кемерон и по сей день считает, что виной тому стало вмешательство в процесс съемок кинокомпании "20th Century Fox", которая потребовала сократить продолжительность ленты более чем на тридцать минут, из-за чего картина предстала перед зрителем совсем не такой, какой ее видел режиссер. Спустя три года, Кэмерон все-таки выпускает в ограниченный кинопрокат полную версию фильма. Полная версия, как и утверждал режиссер, выглядит гораздо более впечатляюще. В конце восьмидесятых режиссер женится на Кэтрин Бигилоу, предварительно оформив развод со своей предыдущей женой Гэйл Энн Херд. Фильм, с рекордным по тем временам бюджетом - «Терминатор 2: Судный день» (1991), собравший в 1991 году наибольшую кассу, Кэмерон ставит совместно со своей новой женой. Главную роль в этой картине, как и в первой части, играет Арнольд Шварценеггер, который тремя годами позже еще раз сыграет главную роль в фильме Кэмерона, на этот раз в картине "Правдивая ложь" (1994), являющуюся ремейком «Тотальной слежки» (1991) Клода Зиди. Тех дивидендов, на которые по праву рассчитывала, принявшая во внимание предыдущие успехи режиссера студия, фильм не приносит, тем не менее, попадает в десятку наиболее кассовых фильмов 1994-го года.

По-настоящему оглушительный успех, и искренняя благодарность прекрасной половины человечества приходят к режиссеру в 1997 году. «Титаник» - фильм с рекордным и по сей день бюджетом в 280 миллионов долларов, представляющий собой смесь двух жанров - мелодрамы и катастрофы, становится наиболее кассовым фильмом в истории мирового кинематографа - 1,8 миллиарда долларов в мировом прокате. За этот фильм режиссер получает два долгожданных Оскара в номинациях "лучший режиссер" и «лучший фильм года». Всего же фильм «собирает» 11 статуэток, становясь вторым в истории фильмом, собравшим такое количество Оскаров. Первой является историческая драма «Бен Гур» (1959) Уильяма Уайлера.

После этого фильма режиссер на некоторое время практически отходит от дел, напомнив о себе заметно лишь в документальных фильмах «Призраки бездны» (2003) и «Чужие из бездны» (2005).

На вершину голливудского олимпа Кэмерон триумфально возвращается в 2009 году, поставив фантастический боевик «Аватар» (2009), обошедший по кассовым сборам, остававшийся непревзойденным в течение 12 лет «Титаник». Вышедшая в формате 3D картина потрясает масштабом происходящего и невероятными спецэффектами, выполненными на качественно новом уровне.
Продолжает работать в качестве режиссера. Женат на актрисе Сьюзи Эймис, трое детей.