21世纪中期，由于温室效应，南北极冰川融化，地球上很多城市被淹没。此时，人类科技已经高度发达，人工智能机器人就是人类发明出来用以应对恶劣自然环境的科技手段之一，而且，机器人制造技术已经高度发达，先进的机器人不但拥有可以乱真的人类外表，还能感知自身的存在。
莫妮卡的儿子马丁重病住院，生命危在旦夕，为了缓解伤痛的心情，她领养了机器人小孩大卫（海利•乔•奥斯蒙特 饰），大卫的生存使命就是爱她。马丁苏醒，恢复健康，回到了家里，一系列的事情使大卫“失宠”，最后被莫妮卡抛弃。
在躲过机器屠宰场的残酷追杀后，大卫在机器情人乔（裘德•洛 饰）的帮助下，开始寻找自己的生存价值：渴望变成真正的小孩，重新回到莫妮卡妈妈的身边。谁也不知道他能否完成自己的心愿，脱胎换骨成为真正的人，等待他们的只是凶吉难料的旅程……

2002年冬天，横浜大桥突然被战斗机炸毁，媒体虽然报导此为自卫队战机所为，但实际上这架战机却并不存在。民众广泛对自卫队产生了不信任感。特车二课第二小队的后藤（大林隆介 配音）队长察觉此事与在99年的那场事件中失踪的自卫队队员柘植有关——1999年，日本陆上自卫队的机器人 小队在一次联合国维和行动中遭到全歼。而柘植是特车二课第一小队队长南云（榊原良子 配音）原来的恋人。民众的不信任感达到了顶峰，处于戒严状态的东京面临着大骚乱，人们被即将爆发战争的危机笼罩着。在自卫队王牌队员荒川的帮助下，后藤（大林隆介 配音）和南云追查到了柘植的下落。后藤招集起泉（富永美伊奈 配音）、篠原（古川登志夫 配音）等特车二课原来的成员们，启动PATLABOR机器人进攻柘植的根据地……
本片是押井守导演推出了《机动警察PATLABOR》的第二部剧场版。

故事发生在遥远的26世纪，外科医生依德（克里斯托弗·瓦尔兹 Christoph Waltz 饰）在垃圾场里捡到了只剩下头部的机械少女将她带回家中，给她装上了本来为自己已故的女儿所准备的义体，并取名阿丽塔（罗莎·萨拉扎尔 Rosa Salazar 饰）。苏醒后的阿丽塔对这个五彩斑斓但却暴力而又残酷的世界产生了浓厚的兴趣，在结识了青年雨果（基恩·约翰逊 Keean Johnson 饰）后，阿丽塔开始接触名为机动球的运动，并在比赛中展现出了惊人的格斗天赋。
在废铁城居民们的头顶，漂浮着巨大的浮空城市撒冷，废铁城居民们的一切劳作和付出，都是为了给撒冷提供继续运作的燃料。在大财阀维克特（马赫沙拉·阿里 Mahershala Ali 饰）所设立的机动球比赛中，最终获得冠军的人能够获得前往撒冷生活的资格，阿丽塔决定利用自己的格斗天赋参加比赛，却被卷入了一个巨大的阴谋之中。

未来世界的超级都市旧京山（San Fransokyo），热爱发明创造的天才少年小宏，在哥哥泰迪的鼓励下参加了罗伯特·卡拉汉教授主持的理工学院机器人专业的入学大赛。他凭借神奇的微型磁力机器人赢得观众、参赛者以及考官的一致好评，谁知突如其来的灾难却将小宏的梦想和人生毁于一旦。大火烧毁了展示会场，而哥哥为了救出受困的卡拉汉教授命丧火场。身心饱受创伤的小宏闭门不出，哥哥生前留下的治疗型机器人大白则成为安慰他的唯一伙伴。原以为微型机器人也毁于火灾，谁知小宏和大白竟意外发现有人在某座废弃工厂内大批量地生产他的发明。
稍后哥哥的朋友们弗雷德等人也加入进来，他们穿上小宏发明的超级战士战斗装备，和怀有险恶阴谋的神秘对手展开较量……

“霸天虎”的先遣部队旋风和毒蝎袭击了美军位于卡塔尔的军事基地，与此同时，路障帮助他的搭档迷乱潜入了美国总统的座机空中一号，通过电脑获悉，要想找到威震天就必须找到维特维奇家族的那副眼镜，上面有威震天关于能量块的信息扫描，而它现在的拥有者萨姆•维特维奇（希安•拉博夫 饰）成为了“霸天虎”攻击的目标。
萨姆是名高中生，学校里没有人相信他讲述的关于这副眼镜的历史，失望之余，萨姆把眼镜放到网上拍卖，然而从未引起买家的兴趣。这时父亲送了一辆破车给他，这辆车恰好就是“汽车人”大黄蜂的变形。大黄蜂帮助萨姆交上了漂亮的女朋友（梅甘•福克斯 饰），但很快就遭遇了“霸天虎”的袭击，擎天柱带着其他“汽车人”赶到，一场机器人大战由此拉开了序幕。

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…

军方和汽车人的秘密合作计划面临被取消的危险，而重新复活的威震天和红蜘蛛引领霸天虎军队，密谋夺取能量源，企图在地球掀起又一场腥风血雨。
此时主人公萨姆（希安·拉博夫 饰）告别相恋的女友米凯拉（梅根·福克斯 饰），要开始自己梦寐以求的大学生活了，但一切似乎都不那么顺利，一块小小的魔方碎片似乎在给予萨姆某种启示。为了获取魔方里的信息，霸天虎开始了对萨姆的追击，擎天柱为了保护萨姆而牺牲，萨姆受其感召，决定重新担负起自己的使命。
萨姆在自己室友里奥（雷蒙·罗德里格斯 饰）和“机器战士”西蒙斯（约翰·托尔托罗 饰）的帮助下，与女友米凯拉根据魔方碎片给萨姆的提示来到了埃及，他们在金字塔里发现了能量源。而此时，霸天虎的军队也赶到了埃及。军方此时有一小队人马也在西荤斯的要求下带着擎天柱的尸体来到了埃及，善恶双方力量在那片金色的沙漠展开了殊死搏斗。