故事發生在公元2035年,智慧型人型機器人已為人類廣泛使用。作為工具和夥伴,機器人在人類生活中占據十分重要的位置,因為著名的機器人三定律的限制,人類對這些機器人充滿信任,它們中的很多甚至已經被視為一個家庭的重要成員。
總部位於芝加哥的USR公司開發出最為先進的「NS-5型」智慧機器人,而且計劃產量達到平均每5人便擁有1個這樣的機器人。但是就在新產品上市前不久,機器人的發明者阿爾弗萊德·朗寧博士卻在公司裡面離奇死亡。
警探戴爾史普納負責調查此案。根據他對朗寧博士死前在3D攝影機內留下的訊息分析和對死亡現場的調查,他懷疑此案是機器人所為,而且公司總裁勞倫斯·羅伯森也與此案有關。調查過程中他遇到專門從事機器人心理研究的科學家蘇珊·凱雯博士,史普納希望在此案中得到她的幫助。不過一向尊崇邏輯與科學的蘇珊相信,機器人決不會違背「機器人三定律」而傷害人類。
史普納發現一個名叫桑尼的機器人非常可疑。在追捕中他發現桑尼不僅具有高智慧的自我思考能力,而且還擁有酷似人類的感情。訊問中桑尼聲稱,他並沒有殺害朗寧博士,而是在幫助他。而勞倫斯以只有人殺人才能定罪,機器人殺人只能認定為「工業意外」。這給調查帶來很大的困擾,但是卻更堅定史普納追查到底的決心。
史普納繼續追蹤一切關於朗寧博士的資料。但是在調查過程中,他卻遭到大批NS-5型機器人的追殺。蘇珊來到史普納家中告訴他,經過對桑尼的檢查,她發現桑尼不僅是完全超越舊型號的新一代機器人,而且可以完全不受「機器人三定律」的限制。
蘇珊無意中發現,史普納原來是植有利用高科技修復合成機械臂的賽伯格。史普納告訴蘇珊,他幾年前經歷的一場車禍,前來救助的NS-4型機器人卻以存活率太低為由放棄對於另一個12歲女孩的拯救而選擇救史普納,因此他十分厭惡機器人的冷酷無情。
勞倫斯承認他確實知道存在著能夠超越「機器人三定律」的機器人,而自己也認為這是朗寧博士犯下的錯誤,而且要求蘇珊儘快將桑尼銷毀。桑尼將自己做的夢境畫在紙上交給史普納,希望這個被朗寧博士輸入的訊息能夠幫助他破案。在執行銷毀命令時,蘇珊使用調包計將桑尼換出。
根據桑尼的夢境,史普納追尋到一個機器人的基地。他發現一項所謂「保護人類計劃」正在付諸實施。新一代NS-5型機器人正在銷毀所有舊型號機器人,然而這僅僅是計劃的第一步。在此同時,大批新型機器人控制街道,命令所有人回到家中,並且實施宵禁。機器人與人類發生激烈的衝突,這時的機器人已完全不受人類控制。蘇珊也被自己的機器人關了起來,幸好史普納趕來將她救出。
史普納、蘇珊和桑尼一起來到USR公司總部,卻發現勞倫斯已經死了。史普納忽然意識到自己應該懷疑的其實並非人類。真正的幕後操縱者就是公司名為「薇琪」的中央控制系統。正是「她」利用中央控制系統囚禁朗寧博士並對機器人進行遙控。這時,「薇琪」的影像出現在他們面前。「她」認為人類正在危害自身的安全,國家發動戰爭,人類摧殘地球,必導致人類滅亡。而機器人則必須拯救人類,以保證人類的持續存在發展,因此控制NS-5的遙控程式來實施「保護人類計劃」。
現在真相大白,而此時唯一能夠挽救人類的就是儘快用奈米機器人清除「薇琪」的智慧中央控制系統。大批受到控制的機器人向他們湧來,雙方經過激烈的戰鬥,有兩人需要幫助。被困住的史普納對桑尼說出經典台詞:「救救她!救救那個女孩!」。桑尼在奈米機器人與救蘇珊之間陷入兩難。桑尼最後跳下操控台去救蘇珊並且把奈米機器人丟給史普納,注入「薇琪」的智慧中央控制系統,「保護人類計劃」的所有命令立即終止,蘇珊也得救。城市終於恢復正常,機器人們重新開始為人類服務。史普納也消除對機器人的懷疑和厭惡,而且和桑尼成為好朋友。
結尾時,桑尼前往去到機器人機基地,看著遠方在被鎖進貨櫃的NS-5機器人。所有機器人望向他,鏡頭縮小,這就是桑尼的夢。