《人工智能》将故事设定在21世纪中期。受温室效应影响，南北极冰川融化，地球上许多城市被海水淹没。此时，人类科技已高度发达，机器人不仅被用于应对恶劣的自然环境，还拥有近乎以假乱真的外表，甚至能够感知自身的存在。
莫妮卡的儿子马丁身患重病，住院期间生命垂危。为了排解内心的痛苦，她领养了机器人男孩大卫（海利·乔·奥斯蒙特饰）。大卫被设定的生存使命，就是爱着莫妮卡。马丁奇迹般苏醒并逐渐康复，回到家中后，接连发生的事情让大卫失去了莫妮卡的宠爱，最终被她抛弃。
大卫逃过机器屠宰场的残酷追杀，在机器情人乔（裘德·洛饰）的帮助下踏上旅途。他渴望变成真正的人类小孩，重新回到莫妮卡妈妈身边。为了实现这个愿望，大卫必须寻找属于自己的生存价值，而等待他的，将是一段充满未知与凶险的旅程。
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