公元2035年，是人和机器人调和同处的社会，智能机器人作为最好的生产工具和人类同伴，逐渐深化人类日子的各个领域，而因为机器人“三大规律”的约束，人类对机器人充溢信任，很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离奇自杀。 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可以调和同处。他根据对朗宁博士生前在3D投影机内留下的信息剖析和对自杀现场的勘查，置疑对象锁定了朗宁博士自己研制的NS-5型机器人桑尼，而公司总裁劳伦斯•罗伯逊似乎也与此事有关。 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)，随着二人查询的深化，真相一步一步被揭露出来：机器人居然具备了自我进化的才能，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”。 斯普纳和凯文开端了对立机器人的举动，一场制造者和被制造者之间的战役拉开序幕。