在未来世界，因为痛失爱子，天才科学家天马博士（尼古拉斯·凯奇 Nicolas Cage 配音）发明出了机械人阿童木（弗莱迪·海默 Freddie Highmore 配音），想以此来作为儿子的替身，寻找安慰。尽管，阿童木具有博士儿子的情感和回忆，并且先进的程序还在不断完善其情绪，并让他富有同情心。可是，博士始终无法接受失子之痛，对阿童木也不能正确对待，并以为他不是人类而将其抛弃。阿童木沦落为无家可归的流浪儿，并且还备受军方的四处通缉，并终究被捉住。军方要求天马博士拿掉阿童木的动力，让它变成军方机器人的动力装备。在终究时间，天马博士突然醒悟，并协助阿童木逃走。面临军方的围追堵截，阿童木奋起抵挡，终究一场惊世大战剑拔弩张。在不断的旅行过程中，阿童木也逐渐成长，他也接受了自己这机械与人类结合的设计，并肩负起全人类生死存亡的重任。