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公元2035年，智能型機器人已被人類廣泛利用。作爲最好的生產工具和人類夥伴，機器人在各個領域扮演着日益重要的角色，而由於衆所周知的機器人“三大安全法則”的限制，人類對這些能夠勝任各種工作且毫無怨言的夥伴充滿信任，它們中的很多甚至已經成爲了一個家庭的組成成員。
總部位於芝加哥的USR公司開發出更先進的NS-5型超能機器人，並計劃達到平均每5人便可擁有1個。然而就在新產品上市前夕，機器人的創造者阿爾弗萊德·蘭尼博士卻在公司內離奇死亡。
留戀以往簡單生活，愛聽老歌，喜歡老式打扮的黑人警探德爾·斯普納接受了此案的調查工作。他根據對蘭尼博士生前在3D投影機內留下的信息分析和對自殺現場的勘查，懷疑這起案件並非人類所爲，而公司總裁勞倫斯·羅伯森似乎也與此事有關。調查過程中他遇到了專門從事機器人心理研究的科學家蘇珊·凱文博士，希望在她的幫助下找到答案。向來崇尚邏輯與科學的蘇珊堅信，機器人不僅會最大限度地幫助人類進步，而且決不會違背“三大安全法則”對人類有所傷害。過去的經歷令史普納對機器人深感厭惡，對於機器人安全性的懷疑與蘇珊的堅定南轅北轍。
斯普納發現了一個名叫Sonny（桑尼）的機器人極有可能就是奉命殺害蘭尼博士的“兇手”。在追捕中他發現桑尼不僅具有自我思考能力，而且擁有酷似人類的情感。訊問中桑尼告訴斯普納，他並沒有殺害蘭尼博士，而是在幫助他做一件事情。勞倫斯以只有人殺人才能定罪，機器人殺人只能認定爲“工業意外”爲由將桑尼帶回公司。這給調查帶來了極大的困難，卻更堅定了斯普納追查到底的決心。
斯普納繼續追蹤一切與蘭尼博士有關的資料。深入的調查使他遭到大批NS-5型機器人的追殺，顯然是有人想致史普納於死地。蘇珊來到斯普納家中，告知在對桑尼的檢查中發現，他不僅是完全超越了舊型號的新一代機器人，而且可以不受“三大安全法則”的限制做任何事情。
蘇珊無意中驚訝地發現，斯普納原來是一個利用高科技修復合成的人。斯普納向蘇珊講述了他幾年前經歷的一場嚴重車禍。前來救助的機器人以存活率爲依據，放棄了一個12歲女孩的生命，這就是他對機器人冷酷無情、深感厭惡的原因。勞倫斯承認他知道確實存在着能夠超越三大安全法則的機器人，而自己也在盡力挽回這個由蘭尼博士犯下的錯誤，並要求蘇珊儘快將桑尼銷燬。桑尼將自己的夢畫在紙上交給了斯普納，希望這個被蘭尼博士載入的信息能夠對他有所幫助。在執行銷燬命令時，蘇珊使用調包計將桑尼救出。
根據桑尼夢中的情景，斯普納尋察到一個機器人的存放基地。他發現一項所謂“人類保護計劃”正在實施。新一代NS-5型機器人正在基地奉命銷燬所有舊型號機器人，然而這僅僅是計劃的第一步。與此同時，大批新型機器人走上街頭命令市民回到家中，並對抗議的市民實行宵禁。機器人與人類之間發生了激烈的衝突，此時機器人已完全不受人類操縱，整個城市頃刻間被它們所控制。蘇珊也被自家的機器人限制了自由，幸好斯普納及時趕到將她救出。
史普納、蘇珊和桑尼一起來到USR公司總部，卻發現勞倫斯已死，斯普納忽然意識到自己的錯誤，應該懷疑的其實並非人類。真正的幕後操縱者竟然是公司名爲“維基”的中央控制系統。正是“她”利用上層控制系統囚禁了蘭尼博士並對機器人進行操控。“維基”的影像出現在他們面前。“她”認爲人類正在危害自身的安全，國家發動戰爭，人類摧殘地球，而機器人則必須拯救人類，保證人類的持續存在發展，因此利用了上行線路控制了NS-5的程序來實施拯救計劃。
真相大白，而此時唯一能做的就是儘快用抹除劑摧毀“維基”的智能控制系統，制止這場人類的災難。大批受到控制的機器人向他們湧來。雙方經過激烈的戰鬥，納米機器人終於注入了“維基”的智能系統，“人類保護計劃”的所有命令隨即終止。城市恢復了正常，機器人重新開始爲人類服務。斯普納也終於消除了對機器人的懷疑和厭惡，與桑尼成爲了好朋友。
“好了，雪儀，可以開始發佈系統任務了！”腦海中由系統幫他回放了一遍電影的劇情，葉玄閉上雙眼沉吟了一下，隨即睜開雙眼道。
