I år 2035 er roboter programmert til å leve i perfekt harmoni med mennesker, og har blitt en del av hverdagen på jorden. Når en briljant forsker ved U.S. Robotics Corporation blir funnet død, blir kriminalbetjent Del Spooner (Smith) satt til å etterforske saken. Med hjelp fra psykologne Susan Calvin (Bridget Moynahan) avslører Spooner mulighetene for at en robot kan være den hovedmistenkte. Men når han nærmer seg sannheten, prøver robotene å stoppe etterforskningen, og han blir fanget i et kappløp for livet. Samtidig som tiden er i ferd med å renne ubønnhørlig ut, dukker det opp en dypere trussel fra kjernen i en mekanisert verden - som utfordrer menneskehetens eksistens.

Michael Jennings er en dyktig dataekspert som leies inn til topphemmelige prosjekter. Etter hver jobb slettes korttidshukommelsen, slik at han ikke skal kunne avsløre fortrolig informasjon. Nå har Jennings fullført et oppdrag for en gammel venn, en treårskontrakt som skulle gitt ham en åttesifret utbetaling. Men i stedet får han den sjokkerende beskjeden om at han skal ha gitt avkall på all betaling rett før jobben var ferdig. Jennings er rådløs - inntil han mottar en mystisk konvolutt som inneholder ledetråder til hans glemte fortid. Med hjelp fra den vakre forskeren han en gang elsket, men ikke lenger kan huske, tar Jennings opp den heseblesende jakten på fortiden sin. Men i fremtiden venter en uhyggelig oppdagelse ...