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一个由Wayne Barlowe、Yuri Bartoli、Neville Page以及Jordu Schell等艺术家形成的核心小组开始了纳美人、阿凡达、潘多拉生物的概念设定原画工作。最初他们是在Lower house的餐桌上工作的，Lower house紧邻Cameron在马里布的住所，这个住所是Cameron以前买下来用做工作室的。Cameron说：“他就是一个给人住的洞穴，里面没有家具，只有一些艺术桌。我让这个核心生物的概念设定小组在那儿办公。”当Cameron在市区时，他常会加入到这些艺术家中，在艺术桌上画他自己的素描。有时，为了激励我们这个小组，他还会带来一些他为以前的电影绘画的艺术作品。Yuri Bartoli说：“这真的可以使我们专注于工作，因为这说明Cameron也具有和我们一样的技巧。Cameron不想看到我们绘制好的图仅仅到了这种程度。他不想我们浪费时间在细化和美化上。这只是利用纸和笔做的素描，只要勾勒出纳美人和那些生物的样子，他就可以看到我们工作的方向和感觉了。”Cameron已经绘制出了非常细节化的纳美人素描，画上的纳美人有非常大的猫眼一样的眼睛、有着很宽的狮子般的鼻子、非常大的耳朵和高大纤瘦且肌肉发达的身躯。以Cameron的素描作为了一个方向，设计师们起初尝试了外形不像人的纳美人设计。Jon Landau说：“曾经一度我们设计了从独眼到多眼的纳美人的版本，但是最终我们采取了比较传统的那个版本。因为我们意识到了要想让观众对这些角色产生亲近感，就必须要有一种比较熟悉的形象。因此，我们把这些角色设计成了蓝色的、眼睛稍微宽一点、嘴更小了且鼻子更宽了，但是他们的脸基本上还是和人类接近的。”
参与制作这部电影的概念设计艺术家们会在未来的两年中还会进一步完善纳美人的特点；但是，从始至终，Cameron在把纳美人设计成蓝色这个决定上从来没有动摇过。Cameron说：“从开始我就把纳美人想象成了蓝色的。这是再简单不过的事情了，因为绿色已经被用过了，从《Wicked Witch of the West》到制作出的每一个火星人再到《绿巨人》都是绿色的。所以绿色已经被用了，但是蓝色还没有，至少现在还没有被用，我觉得蓝色皮肤会很酷。”由于阿凡达有着人类的DNA，所以他的皮肤蓝色应该稍微浅一点，并且脸部的特征也应该更加接近人类的脸部特征。概念艺术家们画了几百张的素描来确定一种恰当的人类和纳美人的混合生物（阿凡达）。
最初，生物概念是潘多拉星球的陆地生物应该是六条腿的；但是Cameron并不是仅仅想出奇幻的元素就完事了，他在批准这个观点前，让设计师们讨论了多肢生物的灵活性的潜在科学依据。Bartoli说：“我们总是从生物学角度来研究的，而不是凭空想出来的。所以我们充分思考了这些生物要有六条腿的原因，因为从进化角度来看四条腿更加灵便。思考的结果是潘多拉星球的地形很不平坦，有很多的藤本植物和茂密的丛林，所以这些生物可以利用多余的腿来抓住东西并把它们拔起来。这些多余的腿就像这些生物的手一样，他们可以利用这些多余的腿来抓住猎物，这时其他四条腿还是可以稳稳地站在地上。”
为了确定多余的腿是看上去恰到好处，而且行动有力。小组邀请了ILM的动画师Paul Kavanagh做了一系列的六足行走和跑步的循环动画。Paul Kavanagh成功的做了一个动画测试，设计了一只毒狼（viperwolf）悄悄接近猎物，然后急速地飞奔过去。Cameron说：“当我看到那个测试，我想：就这么定了，我们决定把所有的潘多拉星球的陆地生物都设计成六足。”
阿凡达有比纳美人更圆、更小且更加接近人类的耳朵，例如：阿凡达有着类似大型动物的耳朵，他的一切特征都介于人类和纳美人之间。接下来，当角色被确定好后，设计者们就会对阿凡达的外形进行绘制了，这时的阿凡达融合了饰演他们的演员的特定特征。这样Jake（阿凡达）就看起来像Sam Worthington了；Grace（阿凡达）就看起来像Sigourney Weaver了；和Jake一起抵达潘多拉星球的科学家Norm（阿凡达）就看起来像Joel David Moore了。但是在最初阶段，艺术家们只是简单地把纳美人的特征和随机选择的演员或模特的特征组合在一起。Yuri Bartoli说：“我们拍了一演员的照片，然后根据这些照片设计阿凡达的样子。我们没有用有名气的演员，因为Cameron不想让观众看到阿凡达时就会想到某个具体的、有名的演员。”
当这些概念艺术家从lower house搬到Cameron在Santa Monica的制作公司Lightstorm Entertainment的办公室后，他们继续设计这些角色以及潘多拉星球的生物，他们把被认可的素描导入到Photoshop中进行上色和细节修饰。一旦素描稿件被通过，艺术家们就会把它们导入到Zbrush中，把二维概念设定转换为三维数字模型。Bartoli回忆说：“做三维数字模型时，我们可以快速地做出很多不同的版本，比如说角较长的、角较短的、眼睛较大的或者眼睛较小的角色模型。互动性非常强，Cameron可以坐在那里来指挥整个过程。Jordu Schell也做了很多陶土模型，特别是纳美人的模型。”
闪雷兽（Thanator）是其中一种六足生物，电影开始，它在丛林中追逐了Jake，并且在最后的战斗中起了至关重要的作用。尽管几个艺术家制作了闪雷兽（Thanator），但是最终的设计主要归功于Cameron，他绘制了很多这个巨大而且外形像猫一样的生物素描。
概念设计艺术家可以更直接地设计了锤头雷兽（Hammerhead titanothere），这是一种像犀牛的野兽，长着砧骨一样的角。在Photoshop绘制以及Zbrush雕刻通过后，设计师Daphne Yap艺术部门的新成员，在锤头雷兽的身体上绘制了复杂精细并且色彩绚丽的条纹。Yap为所有的生物绘制了相似的精细的条纹图案，艺术家们把这一步骤称作‘Daphnization’。
Bartoli说：“我那时就开始了在Photoshop中做一些高清晰度处理，绘制百万像素的图像以便每一个微小的毛孔和斑点花纹等都会出现在最终的画面里。然后使用了ZBrush给闪雷兽（Banshee）模型做贴图，看了它的3D效果。我对霸王飞龙（Leonopteryx）进行了同样的处理。对于所有的生物，我们对非常微小的细节都进行了处理。曾经一段时间，我发现自己正在处理孔雀鹿（Hexapede）的口腔后部臼齿的细节，然而孔雀鹿（Hexapede）是一种类似羚羊的生物，在电影中只会稍微出现一下。我那时就想真有人会注意到这个细节吗，是不是我处理的有点过了。”
起初，Stromberg主要精力都投入到潘多拉星球的整体鸟瞰图上，后来，随着设计的逐年深入，艺术家们把注意力集中到了特定的场景和植物上。Stromberg说：“我们开始把潘多拉星球分解成很小的部分，到了最后我们单独设计每个植物。”除了通过Paintings来表现整体环境，，艺术部门还依照Cameron剧本中的描述，绘制了电影中的一些关键画面。为了表现潘多拉的发光植物在夜里说发光，艺术家们用彩色荧光笔在黑色的纸上绘制出场景，在制作电影《深渊》的时候，Cameron就用这过种方法来表现发光的异形和船的样子。除了生物发光这个潘多拉环境、角色以及生物中不断出现的视觉主题；为了和地球的绿色形成对比，Cameron曾经想把整个雨林都变成蓝绿色调。Stromberg说：“这听起来是个好主意，但是后来发现我们已经使用了蓝色材质制作大气深度，如果让一切都是一种颜色就有大麻烦了。后来，我们开始在环境中加入更多的绿色。这样不仅能帮助我们创建深度，也能拉近观众与这个外星环境心灵上的距离，因为它看起来很熟悉。这片雨林不仅包括了异域情调，也更加有传统的东西。”
纳美族人居住在一棵庞大的树里面，它叫家园树，这棵树的内部在设计上也经历了一番演变，从起初的五层结构变成最终的两层。Stromberg说：“我们意识到人在树里面生活的时候，这么多层会造成一种拘束的感觉，所以我们只留下地面一层和最顶端那层，这样从树的内部向上看视野就更加开阔。设计这颗巨大的树还要符合真实物理学原理，要制作能够支撑住巨树的树根和基本结构。”另一棵标志性的树是“灵魂之树”，它是承载纳美人祖先灵魂的圣地。“这棵树要有很多不同于家园树的特性。它的外表要更加古老。我们观察了盆栽树，感觉它要有古老的根结盘曲状态，这一点也可以让观众对树产生亲切感，因为他们见过这种形状并且看到它会觉得很舒服。这棵树也有发光的、柳条状卷须。”
六足野兽的设计使我们想到了给飞行生物比如斑溪兽（Banshee）和霸王飞龙（Leonopteryx）再增加一对额外的翅膀。斑溪兽（Banshee）出现在了电影中的几个关键的场景中，其中一个场景是Jake选择斑溪兽（Banshee）作为空中狩猎的坐骑，接下来是一个浪漫的飞行场景，霸王飞龙（Leonopteryx）将会在最后的战斗中发挥决定性的作用。Wayne Barlowe、Neville Page和Daphne Yap制作了斑溪兽（Banshee），并尝试着给这种可以飞行类爬行动物创造一个新颖的外形。Cameron说：“乍一看，斑溪兽(Banshee)看上去有点像龙或者翼手龙。但是我们对仅仅设计另外一种样子的龙不感兴趣。我们想设计一种与众不同的生物。最终的斑溪兽（Banshee）看上去有些像蝙蝠，还有些像鹰；但是当你仔细观察时,你会发现他们与之前我们见过的生物有很大的差异。”斑溪兽（Banshee）的一个独特的特征在于它的嘴部结构，嘴的上部分由两部分组成，当牙齿向前移动时这一部分就会收回来。为了看一下斑溪兽（banshee）嘴部咬合的样子，Yuri Bartoli在ZBrush中雕刻了它张开或闭着嘴时的下巴的外形。然后，在Stan Winston Studio制作的实际模型中进一步调整了下巴的动作。
几个月后，Yuri Bartoli还在继续微调斑溪兽（banshee）的设计，绘制细节纹理、颜色以及一些斑点花纹等。
设计组继续紧跟进程：给生物和角色增加更多的细节、开始设计器械、宇宙飞船和其他武器装备，这个重任主要落在了概念艺术家TyRuben Ellingson和Ben Procter的肩上，他们两个专门为了这个任务而加入了艺术部。经过最初设计阶段，Ellingson和Cameron合作创造了高精度的3D 武器装备模型。Ellingson说：“这些设计模型很精细，我们经常把它们加入到其他工作流程中，通常它们作用不仅是与概念设计相关的外形展示，还可以用于制作初期的动作测试。”
军事武器中最具特色的就是“移动扩增平台”，或者叫Ampsuit AMP装甲（Ampsuit）。Ampsuit AMP装甲（Ampsuit）是一种移动重型装甲，它配备了高性能武器，由驾驶员在内部进行操作。后来，Ampsuit的设计模型交给了Stan Winston工作室，由他们建造实体的、原尺寸的Amp装甲；而Weta Digital公司制作可行走的CG Amp装甲。Ellington说：“Jim天生就对机械设计有着浓厚的兴趣，所以在给Weta和San Winston 工作室看以前，我们已经设计并且解决了Ampsuit AMP装甲（Ampsuit）的全部问题，包括肩部和腿部的连接。在视觉特效公司参与以前Jim就进行前瞻性的深入思考，之后就可以充满信心地决定Ampsuit AMP装甲（Ampsuit）应该是什么样子的或者该怎样运行了。这是种高效的工作方式，能采取这种方式来工作本身就是一种奖励和价值。”
设计师们也开始着力设计潘多拉奇异的环境，由Rovert Stronmberg主管设计，他和Rick Carter对影片设计来说功不可没。Stromberg评价道：“虽然潘多拉的环境全都是虚拟的，其制作过程也像舞台设计一样艰辛，我们要遵循传统制作设计的所有准则。”Stormberg扩大了Lightstorm公司的设计团队，并且创建了视觉艺术部门，负责为拍摄制作数字素材。从设计到做出产品的整个过程都由Stormberg负责。同时，Yuri Bartoll从概念设计组转入虚拟环境组，创建了大量的数字素材。起初设计和虚拟艺术部门都在Lightstrom公司并肩工作，后来虚拟艺术部门转移到了Playa Vista的摄影棚，Playa Vista原来是休斯飞机公司的工厂，现在是一个制片厂，表演捕捉就在这里进行拍摄。
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