No ano 2035 D.C., os robôs são programados para viverem em perfeita harmonia com os humanos e já se tornaram parte do dia a dia do mundo inteiro. Quando um brilhante cientista da U.S. Robotics Corporation é encontrado morto, o detetive Del Spooner (Will Smith) é chamado para investigar o caso. Com a ajuda da psicóloga de robótica Dra. Susan Calvin (Bridget Moynahan), o detetive Spooner levanta a hipótese que o principal suspeito pelo crime pode ser um robô. Mas, à medida que Spooner se aproxima da verdade, ele tem que defender sua própria vida, pois os robôs tentam encerrar sua investigação. Com o tempo se esgotando, uma ameaça ainda mais séria emerge do coração do mundo mecanizado... uma ameaça que coloca em perigo a própria existência do ser humano.