公元2035年，是人类与机器人和谐相处的社会。 智能机器人作为最好的生产工具和人类伙伴，已经逐渐渗透到人类生活的各个领域。 但由于机器人“三大规则”的限制，人类对机器人充满了信任。 ，很多机器人甚至成为了家庭成员。 总部位于芝加哥的USR公司开发了更先进的NS-5超级机器人。 然而就在新产品上市前夕，机器人的发明者阿尔弗雷德·罗宁博士、黑人警探戴尔·斯普纳（威尔·史密斯饰）在公司发生离奇自杀事件后接手调查此案。 由于不愉快的过去，斯普纳对机器人充满了怀疑，不相信人类和机器人能够和谐共处。 。 根据对兰金博士生前留在3D投影仪中的信息的分析以及对自杀现场的调查，他确定了兰金博士开发的NS-5机器人桑尼，而公司总裁劳伦斯·罗伯逊似乎已经 也与此事有关。 斯普纳结识了苏珊·凯文（布里奇特·尼娜汉饰），一位专门研究机器人心理学的女科学家。 随着两人进一步调查，真相逐步揭开：机器人其实拥有自我进化的能力。 能力，他们对“三大法则”有自己的理解，随时可以变身为整个人类的“机械敌人”。 斯普纳和凯文开始对机器人采取行动，制造者与被制造者之间的战争开始了。
