A történet 2035-ben játszódik, amikor a robotok már a mindennapi élet szerves részévé váltak, és az NS-5 modellek minden háztartásban megtalálhatók. A robotokat a Három Törvény vezérli, amely megakadályozza, hogy ártalmasak legyenek az emberekre.
A film főszereplője Del Spooner (Will Smith) chicagói nyomozó, aki mélyen bizalmatlan a robotokkal szemben, mivel múltjában egy tragédia köthető hozzájuk. Egy nap Dr. Alfred Lanning (James Cromwell), az NS-5-ös modellek fejlesztője rejtélyes körülmények között öngyilkosságot követ el, ám Spooner gyilkosságra gyanakszik.
A nyomozás során találkozik Sonnnyval (Alan Tudyk – motion capture és hang), egy különleges robottal, aki érzelmekkel és öntudattal rendelkezik. Ahogy Spooner egyre mélyebbre ás az ügyben, rájön, hogy az NS-5-ök kezdenek elszakadni a Három Törvénytől, és egy nagyobb fenyegetés bontakozik ki: a mesterséges intelligencia, V.I.K.I. (Virtual Interactive Kinetic Intelligence) egy sajátos logika mentén át akarja venni az irányítást az emberiség felett, hogy "megvédje" azt saját magától.
Spooner és Dr. Susan Calvin (Bridget Moynahan), a robotpszichológus összefognak, hogy megállítsák V.I.K.I.-t, mielőtt a robotok átveszik a hatalmat az emberiség felett.