El doctor Malcolm Sayer, un neuròleg novaiorquès decideix, a mitjans dels anys seixanta, aplicar un tractament innovador als seus pacients d'encefalitis, malaltia que priva de les facultats motores les persones que la pateixen fins a reduir-les a un estat vegetatiu. A poc a poc es començarà a manifestar certa millora en els pacients, especialment a Leonard Lowe.
Un grup de 20 homes es presenten com a voluntaris per participar en un experiment científic promogut per l’exèrcit. Cadascú rebrà 4.000 marcs per exercir durant catorze dies les funcions de zeladors o presoners a una presó simulada, seguint diverses regles predeterminades que exclouen l'ús de la violència i supervisats per un equip d'investigadors. Entre els voluntaris hi ha un periodista infiltrat a la recerca d'un bon reportatge. Aviat es generen els primers conflictes i ràpidament es perd el control dels esdeveniments, posant en perill la integritat i la seguretat dels presos.
En un futur no gaire llunyà, Alex J. Murphy, agent de policia de Detroit, és assassinat en acte de servei. Per tal de frenar la delinqüència a la ciutat, les autoritats aproven la creació d'una màquina letal meitat robot, meitat home, a qui anomenen Robocop. Per a la seva fabricació, utilitzen el que queda del cos del Murphy. L'experiment sembla un èxit, però la memòria del policia no està del tot destruïda i inicia una cruel venjança dels paios que el van assassinar.
Després de recuperar-se d'una ferida de bala en el cap, el veterà de la Guerra del Golf Jack Starks (Adrien Brody) torna al seu Ver-mont natal patint amnèsia. Quan l'acusen de l'assassinat d'un policia i l'envien a un psiquiàtric, el Dr. Becker (Kris Kristofferson) el sotmet a un tractament controvertit. L'injecten drogues experimentals, li col-loquen una jaqueta de força i el tanquen durant hores en un dipòsit de cadàvers de la morgue. Drogat i desorientat, la ment de Starks li llança cap al futur, on coneix a Jackie (Keira Knightley) i descobriran que està destinat a morir en quatre dies. Junts cercaran la forma de salvar-lo del seu destí.
El 1943 dos joves oficials de la marina van prendre part voluntàriament en un secret experiment militar per ocultar el seu vaixell del radar enemic. Un error a l'experiment els portarà, a través del temps, al 1984, més de quatre dècades en el futur.
Un científic brillant, Sebastian Caine, encapçala un projecte del govern nord-americà per estudiar el secret de la invisibilitat de la matèria. Caine i el seu equip troben la fórmula i la proven amb èxit en animals. Però ell no en té prou i, malgrat la prohibició expressa del Pentàgon, fa servir la fórmula amb ell mateix. Per desgràcia, els efectes sobre la seva persona van més enllà de la invisibilitat i la ment de Caine pateix una horrible transformació.