La bioluminescence est une lumière émise par différentes formes de vie. Elle est le résultat de réactions chimiques dans les cellules des êtres vivants ou la conséquence de la présence d'organismes symbiotiques (qui vivent en symbiose avec ces êtres vivants, comme des bactéries par exemple).
Elle est commune à de nombreuses plantes et animaux de Pandora, elle leur permet de perdurer durant les rares nuits noires.
En effet, la nuit complète est rare sur Pandora. La plupart des espèces n'ayant pas développé de vision nocturne, des systèmes d'écholocation ou d'autres techniques permettent de voir dans la pénombre. Mais la nature a trouvé un autre moyen pour que les êtres vivants puissent s'identifier entre eux. La bioluminescence, production de "lumière froide" par les organismes vivants, est utilisée par presque tous les animaux et plantes de Pandora pour que leurs formes et leur positions soient repérables en absence de lumière extérieure. Même les Na'vis produisent des tâches lumineuses qui, comme les empreintes digitales, sont spécifiques à chaque individu. La plupart des animaux Pandoriens brillent d'une seule couleur, souvent bleue ou verte, mais toutes les couleurs sont représentées.
 

Quelques animaux pandoriens bioluminescents :
- Les vers luisants (de Pandora) et les anémonoïdes ont une bioluminescence qui offre une myriade de couleurs pastel.
 

Quelques plantes pandoriennes bioluminescentes :
- Le Bellicum Pennatum utilise sa bioluminescence comme leurre qui attire des insectes en quête de nectar, ces insectes se font manger par des oiseaux, ce qui évite à la plante de se faire dévorer. Cette fougère contient une forte concentration d'anthocyanines, ces pigments photosensibles reflètent la lumière bleue.
- Le Lucinaria Fibrirata possède des feuilles capables de détecter la présence d'un danger en captant les hormones (types de molécules biologiques) de stress des organismes vivants. Lorsqu'elle capte ces molécules, elle se recroqueville et utilise sa bioluminescence.
 

Sur Terre les composés chimiques à l'origine de la luminescence sont la luciférine (protéine substrat) et la 

luciférase (enzyme biocatalyseur). Lorsque ces deux protéines se rencontrent, elles s’associent en un complexe où a lieu une réaction d’oxydoréduction (réaction où s'opère un transfert d'électrons entre un oxydant et un réducteur) de la luciférine, causée par la luciférase en présence de dioxygène (O2). Cette oxydation fait passer la luciférine d’un état stable à un état électroniquement excité et instable.