극지방의 해빙으로 인해 도시들이 물에 잠기고 지구상의 모든 천연자원이 고갈되어 가는 어느 먼 미래. 인류의 과학문명은 천문학적인 속도로 발전하여 인공지능을 지닌 로봇을 개발하기에 이른다. 집안 일, 정원 가꾸기에서부터 오락 기능을 수행할 수 있는 로봇까지. 로봇이 인간의 편의를 위해 궂은 일을 대신하게 된다.
어느 날, 하비 박사(윌리엄 허트)는 로봇공학 발전의 마지막 관문이자, 논란의 쟁점이 되고 있는 ‘감정이 있는 로봇’을 만들겠다고 공언한다. 그는 로봇회사인 사이버트로닉스사에서 감정을 지닌 최초의 인공지능로봇, 데이비드(헤일리 조엘 오스먼트)를 탄생시킨다.
데이비드는 사이버트로닉스사의 직원인 헨리 스윈튼(샘 로바즈)과 모니카(프랜시스 오코너)의 집에 실험케이스로 입양된다. 스윈튼 부부의 친아들 마틴은 불치병에 걸려 치료약이 개발될 때까지 냉동되어 있는 상태. 인간을 사랑하도록 프로그래밍된 데이비드는 모니카를 엄마로 여기며 점차 인간사회에 적응해 간다. 하지만 아들 역할도 잠시, 마틴이 퇴원해 가족의 품으로 돌아오자 데이비드는 슈퍼토이 테디 베어와 함께 숲 속에 버려진다.
자신이 가장 사랑하는 사람으로 버림받은 데이비드. 하지만 그는 엄마로부터 들은 피노키오 동화를 떠올리며 마법의 힘으로 진짜 인간이 되어 잃어버린 엄마의 사랑을 되찾을 수 있다고 믿고 여행을 시작한다. 여행길에서 만난 남창 로봇 지골로 조(쥬드 로)는 데이비드의 여정에 동행한다.
황폐한 로봇들과 그들을 혐오하는 인간들 사이에서 악몽 같은 경험을 하게 되는 두 사이보그. 결국 수몰된 뉴욕까지 찾아가지만, 데이비드는 자신의 꿈에 대한 해결책을 찾지 못한 채 기능이 정지된다. 그로부터 2천년후, 재생된 데이비드는 마침내 오랫동안 소망하던 사랑을 찾게 되는데……
