Innspillingen av begynte i april 2007 i Los Angeles og i Wellington i New Zealand. Scenene uten dataanimasjon ble spilt inn med en modifisert versjon av det proprietære kamerasystemet Fusion Camera System, som ble utviklet av Cameron og Vince Pace. 3D-innspillingen av filmen ble gjort med en bildefrekvens på 24 bilderuter per sekund. Ifølge Cameron består filmen av 60 % dataanimerte elementer og 40 % realfilm, i tillegg til bruken av miniatyrer. Innspillingen med motion capture varte i 31 dager og ble gjort på en Hughes Aircraft-scene i Los Angeles. Innspillingen av scenene uten dataanimasjon begynte i oktober 2007 i Stone Street Studios i Wellington. I forkant av innspillingen fikk skuespillerne trening i aktiviteter tilpasset rollefiguren, blant annet bueskyting, ridning og bruk av skytevåpen. De måtte også trenes opp i språket, og Sigourney Weaver og scenografene møtte Jodie S. Holt for å lære seg metoder brukt av botanikere til å studere og ta prøver av planter.