公元2035年，人类与机器人在和谐共处的社会中发展。智能机器人成为最佳的生产工具和人类的伙伴，逐渐进入人类生活的各个领域。由于机器人“三大法则”的限制，人类对机器人充满信任，许多机器人甚至已经成为家庭成员。
总部位于芝加哥的USR公司研发出了更先进的NS-5型超能机器人。然而，在新产品上市前夕，机器人的创造者阿尔弗莱德•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)接手了此案的调查。由于过去的不愉快经历，斯普纳对机器人抱有怀疑态度，他认为人类和机器人无法和谐共处。根据朗宁博士生前在3D投影机内留下的信息分析和对自杀现场的勘查，斯普纳怀疑目标锁定在了朗宁博士自己研制的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(碧姬•奈娜汉 饰)。随着两人调查的深入，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”有了自己独特的理解，随时可能转化为整个人类的“机械公敌”。
为了阻止这一灾难性的局面，斯普纳和凯文开始了与机器人的对抗。这场制造者与被制造者之间的战争悄然拉开序幕。
