הפרויקט הבא של קמרון היה סרט ההמשך לנוסע השמיני, סרטו של רידלי סקוט משנת 1979. קמרון קרא לסרט "Aliens" וליהק שוב את סיגורני ויבר לתפקיד המפורסם של אלן ריפלי (הניצולה היחידה מהסרט הראשון). לפי קמרון, צוות הצילום של הסרט היה עוין כלפיו, והתייחס אליו כמחליף עלוב לרידלי סקוט. קמרון הראה להם את סרטו "שליחות קטלנית", אך רובם נשארו סקפטיים. על אף חילוקי הדעות (קמרון גם החליף את השחקן ג'יימס רימר ששיחק את סגן היקס בשחקן "שליחות קטלנית" מייקל ביהן), "שובו של הנוסע השמיני" היה לשובר קופות וסיגורני ויבר הייתה מועמדת לפרס השחקנית הטובה ביותר באוסקר 1986. קמרון זכה בפרס סאטורן בקטגוריית הבמאי ובנוסף, הסרט והשחקנית הראשית הגיעו לעמוד הראשון של טיים מגזין כתוצאה מהנושאים הפמיניסטים פורצי הדרך של אישה בקרב. בעקבות ההצלחה הפנומנלית של הסרט, לקמרון היה עכשיו את החופש לעשות איזה פרויקט שרק ירצה.
מצולות (1989).
הרעיון לפרויקט הבא של קמרון נבע משיעורי ביולוגיה שלו בתיכון. סיפורם של פועלים באסדת קידוח שמגלים יצורים תת-מימיים מעולם אחר היה הבסיס לתסריט של קמרון לסרט "מצולות", שבו השתתפו אד האריס, מרי אליזבת מסטרנטוניו ומייקל ביהן. הסרט שנעשה בתקציב של 41 מיליון דולר, נחשב לאחד הסרטים היקרים בזמנו והיה עתיר אפקטים חדשניים. בגלל העובדה שרוב הסרט מתרחש מתחת למים, והטכנולוגיה לא הייתה מפותחת מספיק כדי ליצור סביבה תת-מימית דיגיטלית, קמרון בחר לצלם את הסרט בעומק 12 מטר מתחת למים. כדי ליצור את הסט, הוסב מבנה של תחנת כוח גרעינית ושני מכלים גדולים.
"מצולות" פתח במקום השני בסרטים שוברי הקופות (9.3 מיליון דולר) והכניס סכום כולל של מעל 100 מיליון דולר, בצירוף עם ביקורות מהללות. הסרט זכה בפרס אוסקר על האפקטים המיוחדים הטובים ביותר, בנוסף למועמדויות בקטגוריית הארט דיירקטור הטוב ביותר, הצילום הטוב ביותר, והסאונד הטוב ביותר. קמרון זכה בפרס סאטורן נוסף על עבודת הבימוי.
שליחות קטלנית 2: יום הדין (1991).
לאחר ההצלחה של "שליחות קטלנית", היו שיחות לגבי המשך סיפורה של שרה קונור ומאבקה במכונות מהעתיד. אף על פי שלקמרון היה רעיון בסיסי ליצירת ההמשך, וארנולד שוורצנגר הביע נכונות להשתתף, היו עדיין בעיות בנוגע לזכויות ושימוש באפקטים מיוחדים. לבסוף, בשנת 1990, נרכשו הזכויות בידי Carolco Pictures וניתן אור ירוק להפקת ההמשך.
לסרט חזרו לינדה המילטון בתפקיד שרה קונור וארנולד שוורצנגר בתפקיד המחסל (מודל T-800), אך הפעם כמגינו של ג'ון קונור, שעתיד להיות מנהיג המורדים. כנגדו ניצב מודל T-1000, מחסל מסוג מתקדם יותר שעשוי מתכת נוזלית (השחקן רוברט פטריק), שהיווה ניגוד גמור לשוורצנגר. קמרון הסביר, כי רצה מישהו שיהיה יותר מהיר וזריז, וש"אם מודל T-800 היה טנק פאנצר, הרי שמודל T-1000 הוא פורשה".
קמרון רצה לשלב את המודל המתקדם הזה כבר בסרט הראשון, אך האפקטים המיוחדים לא היו מפותחים מספיק בזמנו. אולם הודות לאפקטים התת-מימיים בסרט "מצולות", קמרון השתכנע כי הדבר כעת אפשרי.
עם תקציב של למעלה מ-100 מיליון דולר, הסרט שבר את שיאי הקופות, עם הכנסות של מעל 200 מיליון דולר ברחבי ארצות הברית, ומעל ל-300 מיליון דולר נוספים מחוץ לגבולות ארצות הברית. הסרט זכה בארבעה פרסי אוסקר בקטגוריות האיפור, הסאונד, אפקטים קוליים ואפקטים חזותיים. היה זה סרטו השלישי שזיכה את קמרון בפרס סאטורן.
שקרים אמיתיים (1994).
לפני יציאת "שליחות קטלנית 2", שוורצנגר ניגש לקמרון עם רעיון לחידוש הקומדיה הצרפתית "La Totale". הסרט, שנקרא "שקרים אמיתיים", עוקב אחרי מרגל שחי חיים כפולים כאיש נשוי, שאשתו חושבת שהוא סוכן מכירות. את אשתו שיחקה ג'יימי לי קרטיס, כאשר לצד שוורצנגר שיחק טום ארנולד.
הסרט, שנעשה בתקציב של 115 מיליון דולר, הכניס סכום של למעלה מ-370 מיליון דולר. קמרון זכה בפעם הרביעית בפרס סאטורן על עבודת הבימוי.
טיטניק (1997).
קמרון הביע התעניינות בטביעתה של האונייה טיטניק. הוא החליט לכתוב ולביים את סרטו הבא, "טיטניק", בהסתמך על המאורע הזה. הסרט עוסק ברומן בין שני צעירים ממעמדות שונים, שנפגשים על סיפון האונייה, ומסעם. לפני תחילת הצילומים, קמרון צלל לקרקעית האוקיינוס, שם צילם תמונות מהטיטניק האמיתית ושילב אותן בסרט.
קמרון ליהק את לאונרדו דיקפריו וקייט וינסלט לתפקידים הראשיים. תקציב הסרט עמד על 200 מיליון דולר, מה שהפך את הסרט ליקר ביותר בכל הזמנים, והכניס 28 מיליון דולר בסוף השבוע הראשון להקרנתו. הסרט שמר על מקום ראשון ברשימת שוברי הקופות למשך כמה שנים, וסכום ההכנסות הכולל נמדד על 2.1 מיליארד דולר (לאחר חידושו בגרסה התלת-ממדית), נתון אשר הציב אותו למשך 12 שנים במקום הראשון ברשימת הסרטים בעלי ההכנסות הגבוהות בכל הזמנים, (עד ינואר 2010 כאשר הסרט אווטאר תפס את מקומו). הסרט זיכה את קמרון בפרס אוסקר ולראשונה בפרס גלובוס הזהב על עבודת הבימוי הטובה ביותר.
מלאך שחור (2000-2002).
לאחר שניסה להציע תסריט לסרט "ספיידרמן" למנהלי Carolco Pictures, שפשטה רגל מאוחר יותר, ג'יימס קמרון ניסה מזלו בטלוויזיה. הוא יצר את הסיפור לגיבורת על בשם מקס גוויברה. סדרת הטלוויזיה "מלאך שחור" הושפעה מתרבות הסייברפאנק, מז'אנר הסופר-גיבורים העכשווי, וכן מהגל השלישי של הפמיניזם.
הסדרה, שרכבה על גל הפמיניזם שהותווה בידי ריפלי ושרה קונור של שנות ה-80, הציגה את מקס (השחקנית ג'סיקה אלבה), חיילת מהונדסת גנטית שנוצרה בידי תאגיד מנטיקור החשאי. בנוסף לה, כיכבו בסדרה מייקל ותרלי כלוגן קייל וג'ון סאבאג' (צייד הצבאים, "שיער") כקולונל ליידקר, שרודף אחרי מקס. בשעה שהסדרה זכתה להצלחה בעונתה הראשונה, הרייטינג צנח בעונתה השנייה, וגם היו בעיות תקציב לסדרה מה שהוביל לביטולה. למרות ביטול הסדרה היא זכתה לאהדה רבה של מעריצים והפכה לסדרת קאלט, וגם ג'סיקה אלבה השחקנית הראשית אשר זכתה בפרס סטורן על תפקידה בתור מקס.
2002-2009.
הפרויקטים האחרונים של קמרון כללו יצירת סרטים דוקומנטריים על קורות האוניות ביסמרק וטיטניק, תוך שימוש בטכנולוגיית ה-IMAX. הוא גם שימש כמפיק בסרט סולאריס משנת 2002 ובסרט הדוקומנטרי משנת 2006, "פענוח יציאת מצרים", של ערוץ ההיסטוריה בבימויו של הבמאי הישראלי שמחה יעקובוביץ'. הסרט שודר לראשונה ב-16 באפריל 2006 בערוץ דיסקברי הקנדי ואף הוקרן בפסטיבל הקולנוע ירושלים. ב-26 בפברואר 2007 הודיע קמרון, יחד עם יעקובוביץ', כי תיעדו את חשיפת מערת תלפיות בסרט הדוקומנטרי "מערת הקבורה של ישו", ששודר בערוץ דיסקברי ב-4 במרץ 2007.
קמרון תומך בסרטי תלת-ממד סטריאוסקופים-דיגיטלים, והסרט הדוקומנטרי על הטיטניק, "Ghosts of the Abyss" נעשה כולו בתלת-ממד. כך גם הפרויקטים הבאים שלו: הסרט אווטאר (והמשכו ) שמשתמש בטכניקת לכידת תנועה מתקדמת יותר מאשר זו ששימשה בסרטו של רוברט זמקיס "רכבת לקוטב".
מיועד להפצה במאי 2009, אווטאר הושק בסופו של דבר ב-18 בדצמבר 2009. עיכוב זה איפשר יותר זמן לעבודת אפקטים ופוסט-פרודקשן ההפקה והזדמנות לבתי הקולנוע להתקין מקרני תלת מימד. אווטאר שברה כמה שיאי קופות במהלך ההקרנה הראשונית שלה. הסרט הכניס 749.7 מיליון דולר בארצות הברית ובקנדה ולמעלה מ-2.74 מיליארד דולר ברחבי העולם והפך לסרט הרווחי ביותר בכל הזמנים בארצות הברית ובקנדה, העולה על טיטניק. זה היה הסרט הראשון שאי פעם הרוויח יותר משני מיליארד דולר ברחבי העולם. הסרט היה מועמד לתשעה פרסי אוסקר, כולל הסרט הטוב ביותר והבמאי הטוב ביותר וזכה בשלושה על עיצוב ההפקה הטוב ביותר, הצילום הטוב ביותר והאפקטים החזותיים הטובים ביותר. בחודש יולי 2010, מהדורה מחודשת של הסרט הכניסה סך הכל 33.2 מיליון דולר בקופות. בביקורת לסרט, סוקדב סנדהו מ"טלגרף" החמיא לתלת מימד, אך סבר שקמרון "היה צריך להיות אכזרי יותר בעריכתו". באותה שנה דיווח Vanity Fair שקמרון הרוויח 257 מיליון דולר, מה שהפך אותו לבמאי הרווחי ביותר בהוליווד. נכון לשנת 2020, אווטאר וטיטאניק מחזיקים בהישג בהיותם שני הסרטים הראשונים מתוך חמשת הסרטים בהיסטוריה שהכניסו למעלה משני מיליארד דולר ברחבי העולם.
העשור השני של המאה ה-21.
בשנת 2011, הוא שימש המפיק בפועל לסרט המדע בדיוני סנקטום, שעלילתו מתרחשת במערה תת-ימית. קמרון חזר לחקור את טביעתה של הטיטאניק בסרט הטלוויזיה התיעודי משנת 2012, "Titanic: The Final Word with James Cameron", ששודר בערוץ נשיונל ג'אוגרפיק. במרץ 2010, הודיע שהסרט "טיטאניק" יומר לסרט תלת ממד ויוקרן מחדש בבתי הקולנוע במלאת מאה שנה לאסון.
קמרון כיכב בסרט התיעודי משנת 2017 "Atlantis Rising", בו שיתף פעולה עם שני יוצרי הטלוויזיה הישראלים שמחה יעקובוביץ' וירון ניסקי. השלושה יצאו לחקור האם קיים רקע היסטורי לסיפור על יבשת אטלנטיס. הסרט שודר ב-171 מדינות בערוצי נשיונל ג'יאוגרפיק ברחבי העולם.
"" שמבוסס על סדרת מאנגה, שוחרר בשנת 2019 והיה בפיתוח לצד אווטאר ונכתב על ידי קמרון עם ג'ון לנדאו ובבימויו של רוברט רודריגז. הסרט מגולל קורותיה של סייבורג שלא זוכרת דבר מחייה הקודמים ומנסה לחשוף את האמת. הסרט הופק בטכניקות ובטכנולוגיה דומים כמו בשימוש באווטאר, בכיכובם של רוזה סלזאר, כריסטוף וולץ, ג'ניפר קונלי, מהרשאלה עלי, אד סקרין, ג'קי ארל היילי. הסרט הוקרן בבכורה ב-31 בינואר 2019 בלונדון וזכה לביקורות חיוביות מצד המבקרים והצליח כלכלית והרוויח 404 מיליון דולר ברחבי העולם.
קמרון חזר לזיכיון המחסל כמפיק ותסריטאי ל בבימויו של טים מילר.
סרטי המשך לאווטאר.