근 미래인 2035년, 인간은 지능을 갖춘 로봇에게 생활의 모든 편의를 제공받으며 살아가게 된다. 인간의 안전을 최우선으로 하는 ‘로봇 3원칙’에 의해 프로그래밍된 로봇은, 인간을 위해 요리하고, 아이들을 돌보며 인간에게 없어서는 안될 신뢰 받는 동반자로 여겨진다. 그러던 어느날, 가정용 개인로봇의 창시자인 래닝 박사가 살해된 채 발견되면서, 시카고 경찰 델 스프너(윌 스미스)는 로봇 심리학자 수잔 캘빈 박사(브리짓 모나한)의 도움으로 비밀리에 사건을 수사한다.
이 과정에서 스프너는 로봇 생산 과정에 의문을 갖게 되고, 절대 안전하다고 믿었던 로봇에 의한 범죄의 가능성을 의심하게 된다. 급기야 로봇들로부터 공격을 받게 된 스프너는 래닝 박사의 죽음 뒤에 인류의 안전을 위협하는 거대한 음모를 발견하는데…