公元 2700 年，人类文明高度发展，却因污染和生活垃圾大量增加使得地球不再适于人类居住。地球人被迫乘坐飞船离开故乡，进行一次漫长无边的宇宙之旅。临行前他们委托 Buynlarge 的公司对地球垃圾进行清理，该公司开发了名为 WALL·E（地球废品分装员的缩写）的机器人担当此重任。 这些机器人按照程序日复一日、年复一年辛勤工作，但随着时间的流逝和恶劣环境的侵蚀，WALL·E 们接连损坏、停止运动。最后只有一个仍在进行这项似乎永无止境的工作。经历了漫长的岁月，它开始拥有了自己的意识。它喜欢将收集来的宝贝小心翼翼藏起，喜欢收工后看看几百年前的歌舞片，此外还有一只蟑螂朋友作伴。直到有一天，一艘来自宇宙的飞船打破了它一成不变的生活…

小月的母亲生病住院了，父亲带着她与四岁的妹妹小梅到乡间的居住。她们对那里的环境都感到十分新奇，也发现了很多有趣的事情。她们遇到了很多小精灵，她们来到属于她们的环境中，看到了她们世界中很多的奇怪事物，更与一只大大胖胖的龙猫成为了朋友。龙猫与小精灵们利用他们的神奇力量，为小月与妹妹带来了很多神奇的景观，令她们大开眼界。
妹妹小梅常常挂念生病中的母亲，嚷着要姐姐带着她去看母亲，但小月拒绝了。小梅竟然自己前往，不料途中迷路了，小月只好寻找她的龙猫及小精灵朋友们帮助。

距上一次的冒险已经过去11个年头，转眼间安迪（约翰·莫里斯 John Morris 配音）变成了17岁的阳光男孩。这年夏天，安迪即将开始大学生活，他必须将自己的房间收拾整齐留给妹妹。此前，伍迪（汤姆·汉克斯 Tom Hanks 配音）与巴斯光年（蒂姆·艾伦 Tim Allen 配音）等玩具一直期待安迪再和他们玩耍，但是随着岁月的流逝，他们被冷落在箱子里很久了。安迪十分珍惜这些童年的玩伴，于是准备将他们收在阁楼。谁曾想，妈妈却把玩具们当作废物扔到街道上。玩具们误解了安迪，于是愤然出走，宁可被捐赠到阳光之家幼儿园。
伍迪尽力劝解大家，却收效甚微，只得独自黯然离开。巴斯光年他们原本以为将重新回到往昔的快乐时光，不料却陷入一场阴谋之中……