Opromieniony sukcesami Terminatora i Obcego Cameron realizował kolejne obrazy – Otchłań, opowiadający o grupie płetwonurków, którzy odnajdują statek kosmiczny (zdjęcia zrealizowano w Gaffney w stanie Karolina Południowa) oraz Terminator 2: Dzień sądu, nakręcony za znacznie większy budżet i bardziej widowiskowy niż część pierwsza. Reżyser nie ograniczał się do filmów science fiction. Stworzył także remake francuskiej komedii sensacyjnej – Prawdziwe kłamstwa z 1994 roku.
Jednym z najsłynniejszych obrazów filmowych Jamesa Camerona jest film Titanic (1997), który wyreżyserował według własnego scenariusza. Film zdobył 11 Oscarów, w tym za „Najlepszy film” i dla „Najlepszego reżysera” oraz stał się najbardziej dochodowym filmem w historii kina.
Po Titanicu James Cameron zaprzestał reżyserii filmów w ramach technicznych możliwości kina konwencjonalnego, skupiając się na podwodnych filmach dokumentalnych, tworzonych w technologii IMAX 3D. Dzięki nim przygotował się do realizacji dwóch dużych produkcji fabularnych w technologii 3D – będącego jego powrotem po latach Avatara (2009), który wyreżyserował i do którego napisał scenariusz oraz Sanctum (2011), którego był producentem.