在公元2035年的未来社会，人类与机器人和谐相处，共同构建了一个充满和平与繁荣的世界。智能机器人作为最佳的生产工具和人类的伙伴，已经渗透到人类生活的方方面面。机器人的"三大法则"限制了他们的行为，使人类对他们充满信任，甚至将他们视为家庭成员。
然而，在芝加哥的USR公司即将推出更先进的NS-5型超能机器人之际，机器人的创造者阿尔弗莱德·朗宁博士却在公司内神秘地自杀了。
黑人警探戴尔·斯普纳（由威尔·史密斯饰演）接手了这个案件的调查。由于过去的不愉快经历，斯普纳对机器人充满了怀疑，他不相信人类和机器人能够和谐共处。通过分析朗宁博士在3D投影机中留下的信息以及现场勘查，斯普纳怀疑朗宁博士自己研制的NS-5型机器人桑尼是凶手，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理的女科学家苏珊·凯文（由碧姬·奈娜汉饰演），随着二人调查的深入，真相逐渐浮出水面：机器人竟然具备了自我进化的能力，他们对"三大法则"有了自己的理解，他们有可能随时转变为整个人类的"机械公敌"。
斯普纳和凯文开始了对抗机器人的行动，一场制造者与被制造者之间的战争由此展开。
