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.

David's kone Mary blir funnet død, og han selv er øverst på politiets liste over mistenkte. Imidlertid kommer saken aldri opp for retten, siden detektivene som etterforsket saken gjorde en brøler - som førte til at saken ble avvist. Imidlertid forandrer dette ikke folks mening om saken; i offentlighetens øyne er David så godt som skyldig. Når han kommer i kontakt med forskeren Dr. Martha Briggs, aner David håp. Hun han nemlig utviklet et serum som gjør det mulig å gjenskape andre folks minner via ryggmarksvæske. David knekker til oppgaven, men glemmer at serumet fremdeles er uprøvet på mennesker og kan gi skumle bivirkninger!