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”的限制，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。