公元2035年，是人和机器人调和相处的社会，智能机器人作为最好的生产工具和人类伙伴，逐步深化人类生活的各个领域，而因为机器人“三大规律”的约束，人类对机器人充溢信任，许多机器人乃至已经成为家庭成员。
　　总部坐落芝加哥的USR公司开发出了更先进的NS-5型超能机器人，然而就在新产品上市前夕，机器人的创造者阿尔弗莱德•朗宁博士却在公司内古怪自杀。
　　黑人警探戴尔•斯普纳（威尔•史密斯 饰）接手了此案的查询，因为不愉快的往事，斯普纳对机器人充溢了置疑，不相信人类与机器人能够调和共处。他根据对朗宁博士生前在3D投影机内留下的信息分析和对自杀现场的勘查，置疑对象锁定了朗宁博士自己研发的NS-5型机器人桑尼，而公司总裁劳伦斯•罗伯逊好像也与此事有关。
　　斯普纳结识了专门研究机器人心思的女科学家苏珊•凯文(碧姬•奈娜汉 饰)，跟着二人查询的深化，本相一步一步被揭露出来：机器人竟然具有了自我进化的能力，他们对“三大规律”有了自己的理解，他们随时会转化成整个人类的“机械公敌”。
　　斯普纳和凯文开始了对立机器人的举动，一场制造者和被制造者之间的战争拉开序幕。