公元2035年,是人和機器人和諧相處的社會,智能機器人作為最好的生產工具和人類夥伴,逐漸深入人類生活的各個領域,而由於機器人「三大法則」的限製,人類對機器人充滿信任,很多機器人甚至已經成為家庭成員。
總部位於芝加哥的USR公司開發出了更先進的NS-5型超能機器人,然而就在新產品上市前夕,機器人的創造者阿爾弗萊德'朗寧博士卻在公司內離奇自殺。
黑人警探戴爾'斯普納(威爾'史密斯 飾)接手了此案的調查,由於不愉快的往事,斯普納對機器人充滿了懷疑,不相信人類與機器人能夠和諧共處。他根據對朗寧博士生前在3D投影機內留下的信息分析和對自殺現場的勘查,懷疑對象鎖定了朗寧博士自己研製的NS-5型機器人桑尼,而公司總裁勞倫斯'羅伯遜似乎也與此事有關。