共和体制崩塌，银河帝国的阴影笼罩着宇宙文明每一个角落。为了加强对反抗势力的镇压，塔金主义直接催生了一种足以摧毁星球的超级武器——死星的诞生，而物理科学家盖伦·厄索（麦斯·米科尔森 饰）正是死星的主要设计者。厄索的女儿琴（菲丽希缇·琼斯 饰）在童年时代与父母经历了生离死别，之后她被反抗组织领袖索·格雷拉（福里斯特·惠特克 饰）所抚养长大。成年后琴罪行累累，成为帝国的阶下囚，最终却被反抗组织救出。从格雷拉那里她得知死星的存在，并见证了一个城市的灰飞烟灭。然而义军同盟决然不信死星的存在，万般无奈，琴和飞行员卡西安·安多（迭戈·鲁纳 饰）等人只好孤身前往收藏着死星设计图的星球。攸关全宇宙命运的战争拉开了序幕……

距今50多年前，一艘来自赛博坦的飞船坠落月球，由此引发了美苏两国的太空竞赛。人类争相登上月球，只为一探飞船残骸中的秘密。时间回到21世纪初，经过几番征战，汽车人终于挫败霸天虎的入侵，继而与人类合作，共同保卫美丽的地球。然而发生在切尔诺贝利的事件却将尘封已久的月球计划重新摆到桌面。为了防止霸天虎找到能量柱为非作歹，擎天柱与战友飞赴月球，更从当年的飞船中救出了汽车人的先代领导者——御天敌。御天敌是能量柱的发明者，将上百根能量柱集合在一起便可制造太空桥，实现物质的瞬间传送。
忙着找工作以及和女友卡莉（罗茜·汉丁顿-惠特莉 饰）经营爱情的山姆（希亚·拉博夫 饰）无可避免地卷入其中，他渐渐发现霸天虎的操纵一切的阴谋，却不知更大的阴谋和危机隐藏在那月影背后……

公元2035年，是人和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，逐渐深入人类生活的各个领域，而由于机器人“三大法则”的限制，人类对机器人充满信任，很多机器人甚至已经成为家庭成员。
总部位于芝加哥的USR公司开发出了更先进的NS-5型超能机器人，然而就在新产品上市前夕，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，由于不愉快的往事，斯普纳对机器人充满了怀疑，不相信人类与机器人能够和谐共处。他根据对朗宁博士生前在3D投影机内留下的信息分析和对自杀现场的勘查，怀疑对象锁定了朗宁博士自己研制的NS-5型机器人桑尼，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)，随着二人调查的深入，真相一步一步被揭露出来：机器人竟然具备了自我进化的能力，他们对“三大法则”有了自己的理解，他们随时会转化成整个人类的“机械公敌”。
斯普纳和凯文开始了对抗机器人的行动，一场制造者和被制造者之间的战争拉开序幕。