21世纪中期，温室效应累积的恶果已经使世界面目全非，两极冰冠消融，海平面上升，像威尼斯、纽约这样的城市已经不复存在。以最低的能耗谋求发展成为人类的指导方针，机器人得以普及，其制造技术取得了突破性的进展，科学家已经能够制造出外表与人无二的机器人。套用当时科学界的理论来说，这种类人机器人与真人的关键区别仅在于他们不能区分什幺是真正的爱——尽管只要打开他们身上控制爱的开关，他们就会对主人报以无限的爱。
温斯顿夫妇本来有一个儿子马丁，但他十一岁时却被医生宣布为要永远躺在医院的休眠舱中。为了给妻子莫尼卡的生活增添乐趣，温斯顿领养了小机器人大卫。
一开始，大卫的出现让莫尼卡惊慌失措，无法接受。但很快地，天真的大卫就赢得了莫尼卡的喜爱。然而，这种和谐的生活却被莫尼卡真正的儿子马丁的突然康复所打破。马丁把这个趁他不在闯入家中的兄弟当成机器玩具，并利用大卫的天真，屡屡在小机器人和母亲莫尼卡之间制造裂痕。终于，在温斯顿的坚持下，莫尼卡将大卫和他的玩具机器熊特德一起抛到了郊外。
流浪过程中，大卫遇到了“机器人舞男”乔，并和他一起遭围捕队捕获。他们和其它一些机器人被关进铁笼，带到了一家以残害机器人吸引顾客的娱乐中心。在这里大卫目睹了机器人被人用各种残忍方法残杀的恐怖景象。当大卫也被拉到台上，他哭喊着求救。他不相信其它机器人所说的“机器人都会有这样的结局”，他不想这样死去，他想念妈妈，渴望像真正的人一样生活，享受爱与被爱。终于，人性中的博爱与良知被唤醒，观众们冲向舞台。大卫、特德和乔乘乱逃脱。
变成人类的梦想主导着大卫的思想。乔帮助他来到一座被海水浸泡的城市，因为据说只有霍比博士一个人有可能让大卫梦想成真，而他就住在这里。
尽管大卫的表现已经超越了正常机器人的行为准则，但霍比博士仍给了一个令他绝望的回答：机器人变成人太难，以至于根本没有这种可能。
大卫跃入大海，他难以接受这种现实。乔将他从海底救起，二人相依在残破巨厦的楼顶。这时一只飞船幽灵般地赶到，捉走了乔。
大卫带着特德驾驶飞船来到海底。在一座沉入海底的女神像前，熄灭了飞船的发动机。他一遍一