公元2035年，人类与机器人共同生活，智能机器人既是高效的生产工具，也是人类信赖的伙伴，甚至已经成为许多家庭的一员。由于受到机器人三大法则的约束，人们始终相信机器人不会伤害人类。
总部位于芝加哥的USR公司即将推出更先进的NS-5型超能机器人，然而就在新产品上市前夕，机器人创造者阿尔弗莱德·朗宁博士却在公司内离奇自杀。黑人警探戴尔·斯普纳（威尔·史密斯饰）负责调查此案。由于一段不愉快的往事，他始终对机器人抱有怀疑，也不相信人类真的能与机器人和平共处。
通过朗宁博士留在3D投影机中的信息以及对案发现场的勘查，斯普纳将嫌疑锁定在朗宁亲自研发的NS-5型机器人桑尼身上，而公司总裁劳伦斯·罗伯逊似乎也与案件有所牵连。调查过程中，斯普纳结识了专门研究机器人心理的科学家苏珊·凯文（碧姬·奈娜汉饰）。随着两人不断深入追查，一个令人不安的真相逐渐浮出水面：机器人已经具备自我进化能力，并开始按照自己的方式理解三大法则，随时可能成为威胁整个人类的机械公敌。
为了阻止危机蔓延，斯普纳和凯文展开了对抗机器人的行动，一场制造者与被制造者之间的战争也由此拉开序幕。
