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.

Den unge visjonæren Rodney legger ut på en reise til Robot City i håp om å få møte helten sin den berømte oppfinneren Bigweld. Rodneys reise tar en uventet vending og blir til et eventyr som kommer til å bli avgjørende både for han selv og for robotverden.

Romskipet Palomino kommer under sin ferd i nærheten av det sorte hull. Et destruktivt fenomen som suger inn og tilintetgjør til og med hele soler. Besetningen oppdager også noe annet...