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.

De må redde foreldrene sine og stanse en ond mesterhjerne. For å klare det, må disse to søsknene utstyre seg med dingser, reise jorden rundt – og komme overens.

Når galaksen kommer under trusselen fra en ond romkaptein, slutter en mekaniker og hans nyfunne robot-allierte seg til en elitegruppe av kombattanter for å redde universet.