2035년, 인간은 지능을 갖춘 로봇에게 생활의 모든 편의를 제공받으며 살아가게 된다. 더욱 높은 지능과 많은 기능을 가진 로봇 NS-5의 출시를 하루 앞둔 어느 날, NS-5를 개발한 래닝 박사가 의문의 죽음을 맞이한다. 그의 죽음을 둘러싼 수많은 추측이 난무한 가운데, 시카고 경찰 델 스프너(윌 스미스 분)는 자살이 아니라는 데 확신을 갖고 조사에 착수한다. 끔찍한 사고 이후로 로봇에 대해 적대감을 갖고 있던 그는 이 사건 역시 로봇과 관련이 있다고 믿고 그 뒤에 숨은 음모를 파헤치려고 한다. 로봇 심리학자인 수잔 캘빈 박사(브리짓 모나한 분)의 도움으로 로봇 “써니”를 조사하기 시작한 스프너 형사는 로봇에 의한 범죄를 확신하게 된다. 하지만 래닝 박사의 죽음은 자살로 종결 지어지고, 은밀하게 사건을 추적해 들어가던 스프너는 급기야 로봇들로부터 공격을 받게 되는데...