2020年，未来一个并不遥远的年份，整个世界已经发生了许多变化。在那个时代，人类拳击不再被允许，取而代之的是各种机器人走上了擂台，继续这项火爆的运动，愉悦大众。前拳击手查理·肯顿（休·杰克曼 Hugh Jackman 饰）似乎并不那么落寞，他很快适应了时代的发展，带着经过训练的机器人一次次走上拳台。但是倒霉事接二连三，他先是意外落败，债台高筑，继而接到前女友突然过世的消息，并见到了从未谋过面的儿子——11岁男孩麦克斯（达科塔·高尤 Dakota Goyo 饰）。
一次意外，让麦克斯遇到了一台业已被淘汰的陪练机器人Atom。在麦克斯的坚持下，查理同意让Atom参加比赛，却意外发现这台“废物”不仅抗打，而且拥有搏斗的潜质与天赋。肯顿父子和他们的机器人由此踏上新的征途……

小林弘树（滨田岳 Gaku Hamada饰）、长井信也、太田浩二是家电制造商木村电器的职员，为了保住工作，无奈的情况下接受了社长要求其在短时间内开发直立行走的机器人为公司宣传的苛刻任务。但机器人“新海风”在展览会临近的日子意外跌落摔坏，走投无路的三人决定用人偶试镜的方式 选拔身材相符的真人假扮机器人来蒙混过关。铃木重光（五十岚信次郎 饰）是个已是七十三岁的年纪的独居老头，儿女不在身边的他，为了改变退休后孤独苦闷的生活状态决定寻觅一份新的工作。当报纸上看到了三人组的征聘广告，在不知情的情况下假扮起了机器人。然而展览会上因为意外性的事件一炮而红的“新海风”把事态引向了无法控制的局面，三人组不得不告知真相继续寻求铃木大爷的帮助。而此时酷爱机器人的女生叶子（吉高由里子 Yuriko Yoshitaka 饰）也开始渐渐怀疑起“新海风”的真实性…

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。