公元2035年，是人和機器人和諧相處的社會，智慧機器人作爲最好的生產工具和人類夥伴，逐漸深入人類生活的各個領域，而由於機器人「三大法則」的限制，人類對機器人充滿信任，很多機器人甚至已經成爲家庭成員。
總部位於芝加哥的USR公司開發出了更先進的NS-5型超能機器人，然而就在新產品上市前夕，機器人的創造者阿爾弗萊德•朗寧博士卻在公司內離奇自殺。
黑人警探戴爾•斯普納（威爾•史密斯 飾）接手了此案的調查，由於不愉快的往事，斯普納對機器人充滿了懷疑，不相信人類與機器人能夠和諧共處。他根據對朗寧博士生前在3D投影機內留下的信息分析和對自殺現場的勘查，懷疑對象鎖定了朗寧博士自己研製的NS-5型機器人桑尼，而公司總裁勞倫斯•羅伯遜似乎也與此事有關。
斯普納結識了專門研究機器人心理的女科學家蘇珊•凱文(碧姬•奈娜漢 飾)，隨著二人調查的深入，真相一步一步被揭露出來：機器人竟然具備了自我進化的能力，他們對「三大法則」有了自己的理解，他們隨時會轉化成整個人類的「機械公敵」。
斯普納和凱文開始了對抗機器人的行動，一場製造者和被製造者之間的戰爭拉開序幕。