Кэмерон приходит как художник и создатель моделей на фильм «Битва за пределами звезд» (1980), но быстро занимает место художника-постановщика картины. Благодаря изобретательности молодого художника, к примеру, интерьеры звездолета он сделал из контейнеров, выкупленных у McDonalds, картина при бюджете $2 млн собрала в прокате больше $10 млн.
В следующей картине «Побег из Нью-Йорка» (1981) Кэмерон отвечает уже за все визуальные эффекты. В том же году он дебютирует и как режиссер полнометражного кино, снимая фильм-ужасов «Пираньи-2: нерест». Однако лента не произвела впечатления ни на профессионалов, ни на зрителей.
Первые фильмы научили Кэмерона важным вещам. В кино не бывает мелочей, и поэтому важно контролировать кинопроцесс на всех этапах от сценария до постпродакшна. Другой вывод современное кино не рассказывает новых историй, а говорит о том, что уже так или иначе знакомо зрителю.
Известность пришла к режиссеру в 1984 году благодаря фильму «Терминатор». Во сне во время лихорадки режиссер увидел женщину, спасающуюся от кошмарного существа с красными светящимися глазами, хромового скелета, выходящего из огня и изменяющего свою форму в зависимости от обстоятельств. Сценарий фильма понравился многим кинокомпаниям, но никто не хотел доверять картину молодому режиссёру. Поэтому Кэмерон продал сценарий всего за $1 начинающему продюсеру Гэйл Энн Хёрд (своей будущей второй жене) при условии, что режиссёром фильма будет именно он.
Получив скромный даже по меркам 1980-х годов бюджет в $4 млн (в процессе съемок он был увеличен до $6,4 млн) Кэмерон создал фильм, который стал эталоном жанра. Режиссер показал, что умеет не только увлекательно рассказывать истории, но и является экспертом по технической части кинопроизводства. «Терминатор» собрал в мировом прокате более $100 млн и стал трамплином для карьеры Кэмерона и Арнольда Шварценеггера.
Вначале на роль робота-убийцы из будущего Кэмерон планировал пригласить Лэнса Хенриксена, но студия предложила Шварценеггера, известного тогда лишь по фильму «Конан Варвар». «Арнольд Шварценеггер не подходил на роль нашего Терминатора. Предполагалось, что это робот-лазутчик, а если они все выглядят как Арнольд, то их просто невозможно не заметить в толпе. Это казалось полной бессмыслицей. Но прелесть кино именно в том, что ему не обязательно быть логичным. В нём лишь должно быть правдоподобие. Если происходящее на экране нравится публике, то её не волнует, насколько такое возможно», вспоминал режиссер.
Следующим фильмом стало продолжение научно-фантастического триллера Ридли Скотта «Чужой» «Чужие» (1986), к которому Кэмерон написал и сценарий. Фильм оказался еще более успешным, собрав в прокате более $180 млн, получил семь номинаций на премию Оскар, и две заветные статуэтки за лучшие визуальные и звуковые эффекты.
Следующим фильмом стало продолжение научно-фантастического триллера Ридли Скотта «Чужой» «Чужие» (1986), к которому Кэмерон написал и сценарий. Фильм оказался еще более успешным, собрав в прокате более $180 млн, получил семь номинаций на премию Оскар, и две заветные статуэтки за лучшие визуальные и звуковые эффекты.
После столь успешных фильмов режиссер получил признание как один из ведущих мастеров жанрового кино Голливуда.
На съемки фильма «Бездна», про рабочих-подводников, которые обнаруживают на глубине существ внеземного происхождения, студия выделила $70 млн, так что фильм стал одним из самых дорогих на то время. Тем не менее, он получил не самые лестные отзывы критиков, и не окупился в прокате, но был отмечен «Оскаром» за лучшие спецэффекты.
Успех «Терминатора» сразу же поставил вопрос и о его продолжении. Но режиссер не спешил браться за сиквел до тех пор, пока технические возможности компьютерной графики не позволили ему воплотить на экране то, что было в его воображении. Он хотел показать привидевшегося ему робота из жидкого металла, способного принимать любую форму. Для этого он основал и собственную студию спецэффектов Digital Domain.
Под сиквел студия выделила рекордную по тем временам сумму в $100 млн. Фильм «Терминатор II: Судный день» (1991) стал одним из самых впечатляющих по спецэффектам, а также вошел в число самых кассовых в мировом прокате. Киноакадемия отметила ленту четырьмя «Оскарами» за грим, звук, монтаж звуковых эффектов и визуальные эффекты. В тот же период Кэмерон основывает кинокомпанию Lightstorm Entertainment.
В 1994 году выходит новая картина «Правдивая ложь», главную роль в которой снова исполнил Арнольд Шварценеггер. Фильм был ремейком «Тотальной слежки» (1991) Клода Зиди и хотя рекордных сборов не принес, вошел в десятку наиболее кассовых за тот год.
В 1996 году киностудия «XX век Фокс» начала съемки «Титаника» (1997), пригласив в качестве сценариста, режиссера и продюсера Джеймса Кэмерона. Главные роли были отданы молодым звездам Кейт Уинслет и Леонардо Ди Каприо. Для подводных съемок останков настоящего «Титаника» привлекли российское исследовательское судно «Академик Мстислав Келдыш». Сложность картины заставила не только перенести дату премьеры, но и выделить дополнительную сумму на доработку спецэффектов, в результате затраты достигли рекордных на тот момент $200 млн.