2035年のシカゴ。新しい家庭用ロボットの出荷準備をしている巨大産業会社USRで、事件が起こる。事故のトラウマでロボット嫌いになっているシカゴ市警デル・スプーナー刑事(ウィル・スミス)は、現代ロボット工学の第一人者であるラニング博士(ジェームズ・クロムウェル)から連絡を受け、USRに向かう。だが待っていたのは博士のホログラムで、彼はすでに死んでいた。スプーナーは、USRの主任ロボット心理学者の女性、スーザン・カルヴィン博士(ブリジット・モイナハン)の案内により、犯人を捜索。