近未来，地球环境逐步恶化。神秘外星殖民者通过大洋底部的虫洞“缺口”将身形庞大、残冷迅猛、身藏剧毒的怪兽接连派往地球，有条不紊地实施着它们的殖民毁灭计划。为此，人类联手打造“贼鸥计划”，制造出与怪兽体型相当的机甲战士迎战，但随着怪兽渐次进化，机甲战士全面溃败，各国政要试图修筑偏于防守的“生命之墙”以阻挡侵略者的脚步，无奈很快遭遇挫折。在此危急关头，暗中仍推进“贼鸥计划”的斯特克·潘特考斯特将军（伊德瑞斯·艾尔巴 Idris Elba 饰）找回五年前曾遭受重大打击的“危险流浪者”驾驶员（查理·汉纳姆 Charlie Hunnam 饰），并通过严格选拔为他选择了新的搭档森麻子（菊地凛子 饰）。复活的“流浪者”即将与另外三台仅存的机甲战士迎战更强大的怪兽侵略者，同时寻找彻底扫除敌人的良机。
苍茫的大海之上，人类保卫之战接连而起……

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……

机器人安德鲁（罗宾·威廉斯 Robin Williams 饰）是尼尔家四代人的管家。原本尼尔一家只是当他一部机器来使用，但大家渐渐发现安德鲁不只是一个家务机器这么简单，他在日常还会和他们一起欢笑，懂得人类的习俗，体会人类的情感。
安德鲁在尼尔家的女儿很小的时候就喜欢上她了，但由于他没有安装感觉模块，他任由她嫁给了一个错误的人。由于没有感觉，安德鲁可以在海边独自一人盖一栋房子生活。直到某天，他遇上了机械专家、科学狂人，为他安装上了感觉模块。
至此，安德鲁才体会到什么是吃醋、什么是恋爱。经过一番努力，安德鲁终于完全融入了人类社会。最终，他和自己相爱的人得以长厢厮守，并在垂垂老矣时幸福死去……

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。