В 1971 году родители Кэмерона вместе с сыном перебрались в город Бреа, штат Калифорния, США. В 1973 году Кэмерон поступил в Фуллертоновский колледж Калифорнийского университета на факультет физики, затем сменил специальность на английский язык, а до начала семестра в 1974 году и вовсе отчислился из колледжа. Кэмерон работал водителем грузовика и школьного автобуса, а также автомехаником. В свободное время он увлекался писательством и посещал киноархив Южнокалифорнийского университета, где самостоятельно изучал технику спецэффектов в кинематографе. В 1977 году он увидел фильм "Звездные войны" режиссера Джорджа Лукаса и решил реализовать свою детскую мечту - снимать фильмы.
Кэмерон уволился с работы, занял денег и снял в 1978 году на любительскую видеокамеру свой первый фильм: "Ксеногенезис" . Благодаря ему Кэмерон получил работу специалиста по созданию миниатюр в студии Roger Corman Studios. В 1980 году Кэмерон стал художником-постановщиком фильма "Битва за пределами звезд" режиссера Джимми Мураками, а в 1981 году работал над спецэффектами фильма Джона Карпентера "Побег из Нью-Йорка". В 1981 году Кэмерону предложили стать режиссером малобюджетного фильма ужасов "Пиранья 2: Нерест" - сиквела достаточно успешного фильма "Пиранья". По воспоминаниям Кэмерона, ему пришлось работать с итальянской актерской труппой, которая не понимала английского языка, из-за чего съемки оказались особенно трудными.
После этого Кэмерон занялся написанием сценариев для впоследствии снятых лент "Рэмбо: Первая кровь. Часть II" и "Чужие". Также он написал сценарий для фильма "Терминатор", но из-за недостаточного режиссерского опыта с трудом мог найти студию, которая бы согласилась на съемки этого фильма. В итоге ему удалось продать права на фильм своей будущей жене, продюсеру Гэйл Анн Хёрд, которая смогла заключить контракт со студиями Hemdale Pictures и Orion Pictures. Для главной роли Кэмерон выбрал Арнольда Шварценеггера, известного тогда только по фильму "Конан-Варвар". Фильм "Терминатор" вышел на экраны в 1984 году и стал хитом: при относительно небольшом бюджете в 6,5 миллиона долларов его кассовые сборы составили 78 миллионов долларов, к тому же он стал одним из самых известных в мире фильмов-боевиков.
В 1985 году на экраны вышел фильм Кэмерона "Рэмбо: Первая кровь. Часть II" с Сильвестром Сталлоне в главной роли, а в 1986 году Кэмерон снял картину "Чужие" - продолжение фильма Ридли Скотта "Чужой". Картина была удостоена двух "Оскаров": за лучший звук и спецэффекты. В 1989 году по сценарию, сочиненному еще в школе, режиссер снял фильм "Бездна", который получил "Оскар" за спецэффекты.
Снятый Кэмероном "Терминатор 2: Судный день" вышел на экраны в 1991 году. Картина завоевала пять "Оскаров", а кассовые сборы по всему миру составили 520 миллионов долларов. Между тем в съемках продолжения серии "Терминатор 3: Восстание машин" Кэмерон участвовать отказался. Успех фильма позволил режиссеру создать собственную киностудию Lightstorm Entertainment, помимо этого, вместе с признанным специалистом по созданию спецэффектов Стэнли Уинстоном Кэмерон основал студию спецэффектов Digital Domain. В 1994 году режиссер снял комедийный боевик "Правдивая ложь", где главную роль вновь сыграл Шварценеггер.
В 1997 году на экраны вышел фильм "Титаник": Кэмерон стал его режиссером, соавтором сценария и сопродюсером. В главных ролях снялись Леонардо ди Каприо и Кейт Уинслет. Создатели фильма активно использовали глубоководные съемки российской экспедиции во главе с Анатолием Сагалевичем, проводившей исследование лежащего на дне океана "Титаника". Кассовые сборы фильма по всему миру составили рекордные 1,85 миллиардов долларов, более того он принес Кэмерону первые три личных "Оскара": за лучшую режиссуру, лучший фильм и лучший монтаж. Всего картина была удостоена 11 "Оскаров", чем повторила рекорд фильма "Бен-Гур" Уильяма Уайлера. За лучший фильм и лучшую режиссуру "Титаник" также получил кинонаграды "Золотой глобус". В довершение ко всему Кэмерон сумел заработать на "Титанике", по разным данным, от 75 до 100 миллионов долларов. Спецэффекты для фильма создавались в Digital Domain, однако к тому времени Кэмерон владел лишь десятью процентами акций компании, а в августе 1998 года и вовсе вместе с Уинстноном покинул ее совет директоров.
В 2000 году Кэмерон занимался фантастическим сериалом "Темный ангел". После этого он снял несколько документальных фильмов с использованием подводных съемок, в которых также участвовала команда Сагалевича: "Экспедиция 'Бисмарк'", "Призраки бездны" и "Чужие из бездны", - а также был исполнительным продюсером фильма "Потерянная могила Христа".
В декабре 2009 года на экраны вышел новый трехмерный фантастический фильм Кэмерона "Аватар". Бюджет фильма составил рекордные 300 миллионов долларов, и за первую неделю проката собрал 232 миллиона долларов.
Кэмерон работает над экранизацией манги (японского комикса) "Боевой ангел" и в будущем собирается снять еще один подводный фильм "Погружение". Также в начале 2010 года появились сведения о том, что Кэмерон собирается снять фильм по мотивам романа Чарльза Пеллегрино "Последний поезд из Хиросимы", посвященный ядерным бомбардировкам Японии в 1945 году.
Кэмерон является советником NASA: он разрабатывает проект проведения видеосъемок во время планируемой пилотируемой миссии на Марс.
Те, кто работал с Кэмероном, называли его Железный Джим (Iron Jim) и отмечали его сложный характер.
Личная жизнь
Кэмерон был женат пять раз. Первой его женой стала Шерон Уильямс — простая официантка, с которой Джеймс познакомился будучи ещё никому неизвестным. Но их семейная жизнь продлилась недолго — с 1978 по 1984 год. Джеймс был настолько увлечен своей идущей в гору карьерой, что личная жизнь в тот период отошла на второй план, положив конец его первому браку.
Второй женой (1985—1989) стала продюсер Гэйл Энн Хёрд. Она в буквальном смысле подарила Кэмерону путевку в новую жизнь. После многочисленных отказов от финансирования картины «Терминатор», Джеймс продал Гейл свой сценарий всего за 1 доллар, но при условии, что та даст ему полную свободу действий на съемочной площадке. Поверив в силы Джеймса, Хёрт согласилась, и не прогадала. Вложенные средства с лихвой окупились, принеся славу как Кэмерону, так и Хёрд. После успешного старта влюбленные вместе работали над следующей картиной Джеймса — «Чужие». Вскоре их рабочий союз перерос в брак. Фильм «Чужие» оказался даже успешнее своего предшественника — собрав в прокате более 180 миллионов долларов, фильм получил семь номинаций на премию «Оскар». После такого успеха на Кэмерона стали сыпаться предложения одно за другим. Супруги успели поработать вместе и над лентой «Бездна». Но практически сразу после окончания съемок закончилась и супружеская жизнь Хёрд и Кэмерона.
Едва успев оформить развод, 17 августа 1989 года Кэмерон вновь женится. На этот раз его избранницей становится режиссёр Кэтрин Бигелоу. Но и этот союз терпит крах. В 1991 году Кэмерон уходит к своей новой возлюбленной — актрисе Линде Хэмилтон. Через два года Бигелоу и Кэмерон официально оформляют развод.
15 февраля 1993 года на свет появляется дочь Линды и Джеймса — Жозефина Арчер Кэмерон. Но официально оформить брак с Хэмилтон Джеймсу удаётся только в 1997 году.
Но и рождение дочери не спасает Кэмерона от новой интрижки: на съемках своего культового фильма «Титаник» Кэмерон знакомится с актрисой Сьюзи Эмис, исполнившей в фильме эпизодическую роль внучки Розы. В 1999 году Джеймс разводится с четвёртой женой. А 4 июня 2000 года он женится на Эмис. В этом браке у него рождается дочь Клэр Кэмерон (4.04.2001) и близнецы Элизабет Роуз Кэмерон и Куинн Кэмерон (29.12.2006).
Также у Джеймса есть пасынок Джаспер Робардс — сын Сьюзи Эмис от первого брака с актером Сэмом Робардсом.
Джеймс Кэмерон и его дети являются веганами.