2035년, 인간은 지능을 갖춘 로봇에게 생활의 모든 편의를 제공받으며 편리하게 살아가게 된다. 인간의 안전을 최우선으로 하는 로봇 3원칙이 내장된 로봇은 인간을 위해 요리하고 아이들을 돌보며 없어서는 안될 신뢰 받는 동반자로 여겨진다. NS-4에 이어 더 높은 지능을 가진 로봇 NS-5의 출시를 하루 앞둔 어느 날, NS-5의 창시자인 래닝 박사가 의문의 죽음을 맞이한다. 그의 죽음을 둘러싼 수많은 추측이 난무한 가운데, 시카고 경찰 델 스프너(윌 스미스)는 자살이 아니라는데 확신을 갖고 조사에 착수한다. 끔찍한 사고 이후 로봇에 대한 적대감을 갖고 있던 그는 이 사건 역시 로봇과 관련이 있다고 믿고 숨은 음모를 파헤치는데...
