1981年，詹姆斯·卡梅隆执导了第一部作品《食人鱼2》，影片完全在意大利拍摄，卡梅隆和一口意大利语的工作人员相处得并不愉快，而拍摄完毕后制片方出于对他的轻视，不让他参与影片的最终剪辑。卡梅隆一气之下，按照自己的想法学会了如何使用意大利的剪辑机，他用了几个星期的时间剪辑完了整部片子。

1984年，卡梅隆推出了他第一部自编自导的影片《终结者》。这部影片的拍摄只花了650万美元，却在美国取得了3600万美元的票房成绩，全球票房更是达到7800万美元。《终结者》的票房成绩使得卡梅隆获得了电影界的广泛关注。1985年，卡梅隆和西尔维斯特·史泰龙一起撰写了《第一滴血2》的剧本。

1986年，詹姆斯·卡梅隆自编自导的第二部作品《异形2》问世。这部影片是导演瑞德利·斯科特的科幻电影《异形》的续集。詹姆斯·卡梅隆编导的这部电影避免了重复原片的风格，而是把人和异形的战场从单个的太空船搬到了一个太空基地，以一种动作片的风格重新演绎了发生在太空的恐怖故事。1987年，《异形2》获得了七项奥斯卡奖提名，并最终获得了最佳音响剪辑和最佳视觉效果两项奖项，詹姆斯·卡梅隆凭借此片获得了第14届土星奖最佳导演奖。

1989年，卡梅隆自编自导了第三部电影《深渊》。这部科幻影片和詹姆斯·卡梅隆其它同类的作品有些不同，虽然其中穿插了很多打斗和关于海底神秘生物的描述，但它重点还是用一种比较慢的节奏，在一个科幻的背景下讲述了一个关于夫妻感情的故事。有部分观众认为这部影片的节奏过慢，这部影片在票房上也遭到了失败。

1991年，他执导的电影《终结者2》在美国上映后取得了2亿美元的票房。1992年，这部电影在第64届项奥斯卡奖颁奖礼上获得了最佳视觉效果、最佳音响、最佳化妆、最佳音效剪辑四项奖项。詹姆斯·卡梅隆凭借该片获得了第18届土星奖最佳导演奖以及最佳编剧奖。

1993年，詹姆斯·卡梅隆成立了自己的特技制作公司“数字领域“。1994年，由“数字领域”制作特技的第一部影片《真实的谎言》上映，该片由詹姆斯·卡梅隆执导，阿诺德·施瓦辛格等人主演。《真实的谎言》体现了卡梅隆的一种沙文主义思想，他在片中把亚利安人描绘成英雄，而把非亚利安人描绘成恐怖分子。这部电影在美国的票房有1亿4千6百万美元，在国际市场上的票房达到2亿8千万美元。

1997年，詹姆斯·卡梅隆执导了电影《泰坦尼克号》，该片制作成本达到2亿美元，由莱昂纳多·迪卡普里奥、凯特·温斯莱特等主演。在电影拍摄过程中，詹姆斯·卡梅隆对演员和职员很严格，投资方的冷言冷语，演员及手下对他古怪脾气的埋怨和对抗再加上拍摄过程中遇到的困难，这一切使得卡梅隆几乎到了崩溃的边缘，但他仍然坚持着。《泰坦尼克号》上映后，在美国的票房达到了4亿7千万美元；全球票房超过18亿美元，打破影史票房纪录，成为1997年至2010年间票房最高的电影。1998年，在第70届奥斯卡金像奖上这部影片获得了14个奥斯卡奖的提名并获得了其中的11个奖项，平了《宾虚》的获奖数量纪录。

2000年，他执导并监制了以基因治疗为题材的电视剧《末世黑天使》。2002年，他与Discovery频道合作推出了纪录片《重返俾斯麦战舰》。2005年，他宣布开拍电影《阿凡达》，这是一部真人表演结合电脑CG动画的科幻片。该片成本达3亿美元，打破了电影制作成本的纪录。

2009年8月，在3D片《阿凡达》的制作过程中，詹姆斯·卡梅隆受到启发，决定用这一科技手段重新制作1997年上映的影片《泰坦尼克号》。2009年12月18日，詹姆斯·卡梅隆执导的电影《阿凡达》正式上映。该片在北美地区上映47天，总票房达6亿110万美元，打破了之前《泰坦尼克号》保持的6亿10万的票房纪录。截止2010年9月，《阿凡达》全球票房累计超过27亿，打破了全球影史票房纪录。2010年1月，詹姆斯·卡梅隆凭借《阿凡达》获得第67届金球奖最佳导演奖。

2012年，正值泰坦尼克沉船100周年纪念，由詹姆斯·卡梅隆执导的电影《泰坦尼克号》以3D形式再次亮相大银幕。2014年4月，詹姆斯·卡梅隆表示，《阿凡达》的续集系列《阿凡达2》、《阿凡达3》、《阿凡达4》都已经进入前期筹备阶段。

2019年，詹姆斯·卡梅隆担任电影《阿丽塔：战斗天使》的制片人和编剧。