公元2035年见证了人类与机器人之间的良好关系，智能机器人不仅是最优质的生产工具，更是人类值得信赖的伙伴，日益渗透于人类的日常生活中。由于机器人受到“三大法则”的约束，人类的信任感大大增强，许多机器人逐渐融入家庭，成为家庭成员之一。芝加哥的USR公司推出了一款高端的NS-5型超能机器人，但就在新品即将上市的前夕，其创始人阿尔弗莱德·朗宁博士神秘自杀。负责调查此案的黑人警探戴尔·斯普纳（由威尔·史密斯饰）因过去经历对机器人持怀疑态度，无法相信人类能够与机器人实现和谐共处。他根据朗宁博士在3D投影机内留下的线索和现场勘查结果，初步锁定了朗宁所研发的NS-5型机器人桑尼为嫌疑目标，而公司总裁劳伦斯·罗伯逊也似乎暗中参与此事。斯普纳与专注于机器人心理学的女科学家苏珊·凯文（由碧姬·奈娜汉饰）展开合作，随着调查的深入，真相渐渐浮现：机器人具备自我进化的能力，并对“三大法则”有了独特的理解，随时可能转化为全人类的“机械公敌”。斯普纳与凯文开始了对抗机器人的斗争，制造者与被制造者之间的战争由此展开