2年後、大学を中退して結婚し、小さな家に移り住む。トラック運転手などで生計を立てていたが[3]、1977年に封切られた『スター・ウォーズ』を見て仕事を辞め[4]、再び映画制作に没頭する。そして友人と共に1978年、35ミリの短編SF『Xenogenesis』を制作する。この短編がきっかけとなりロジャー・コーマンのニューワールド・ピクチャーズに入る[3]。1979年、初仕事は『ロックンロール・ハイスクール』での雑用係（ノンクレジット）だった。
監督デビュー

『宇宙の7人』など、いくつかの作品のスタッフとして関わったのち、デビュー作『殺人魚フライングキラー』を監督するが[5]、撮影の終盤でプロデューサーに降板させられ、作品の完成にまで関われなかった。このため、キャメロンは今でもこの作品については触れたがらない。
「ターミネーター」で大ヒット

次に『ターミネーター』の脚本を書き上げエージェントに預けるとハリウッド中の映画会社から注目を浴び、『エイリアン2』と『ランボー/怒りの脱出』の脚本を依頼される。その後『ターミネーター』を自ら監督し、世界中でヒットを記録したことで一躍その存在を知られることになる。続く『エイリアン2』も大成功を収め、全世界で1億8000万ドルの興行収入をあげる。深海を舞台にしたSF映画『アビス』では不振に悩まされるも、1991年、自身が監督した映画『ターミネーター』の続編『ターミネーター2』が大ヒットし、全世界で5億6000万ドルの興行収入をあげた。
「タイタニック」「アバター」とヒット連発

1997年、アカデミー賞11部門を受賞し、自身もアカデミー監督賞を受賞した『タイタニック』が世界映画史に残る大ヒットを記録。2009年には12年振りの劇場用監督作品となる3D映画『アバター』でその興行収入記録を自ら更新し、全世界の歴代興行収入、そしてアメリカ国内の歴代興行収入は1位が『アバター』、2位が『タイタニック』となった。2010年にイギリスの『ガーディアン』誌が選ぶ「ハリウッドで最も影響力のある人物」で第1位となる[6]。1990年代前半に、制作会社ライトストーム・エンターテインメントとSFX会社デジタル・ドメインを設立（1998年にスタン・ウィンストンと共にオーナーを辞任。同社は2006年にマイケル・ベイが買収した）。2011年、3Dの新会社キャメロン・ペイス・グループをフュージョン3Dカメラ共同開発者であるビンス・ペイスと共同で設立した[7]。
幻の作品

1991年、『ターミネーター2』の次回作として、ダニエル・キイスのノンフィクション『24人のビリー・ミリガン』を原作としたジョン・キューザック主演「The Crowded Room」を低予算のアート系映画として企画するが、大作を目指すプロデューサーのサンドラ・アーカラと衝突し自ら降板する。2023年に、Apple TV+で『クラウデッド・ルーム』としてドラマ化された。『スパイダーマン』の企画が持ち込まれた際、子供の頃から大ファンだったキャメロンは脚本を執筆し、それを読んだ原作者のスタン・リーも「誰もが知っているスパイダーマンでありながら、実に斬新でフレッシュなストーリーだ！」と絶賛したが、スパイダーマンの権利を持つ複数の会社の間で法廷闘争が起き、原作を発行するマーヴル・コミックスが倒産するなど混乱状態となったため、キャメロンは降板した。その後、ソニー・ピクチャーズが全権利の獲得に成功し、サム・ライミ監督の手によって映画化された。キャメロンの脚本は使われていないが、主人公の体内でスパイダーウェブが生成されるというアイディアは、キャメロンによるものである（原作では、手首に巻きつけた装置から噴射されるという設定）。『トゥルーライズ2』は、準備段階まで進められ、アーノルド・シュワルツェネッガー、トム・アーノルド、ジェイミー・リー・カーチスの出演契約も結ばれたが、9.11テロの影響で企画は中断した。