De film begint met een scène uit de originele film; WALL•E hangt aan de buitenkant van EVE’s schip en veegt met zijn hand door de ringen van Saturnus. Een van de steendeeltjes die hierdoor loslaat wordt een meteoriet en vernielt een lamp aan de buitenkant van het ruimteschip Axiom. Een BURN-reparatierobot (wat staat voor "Basic Utility Repair Nano Engineer") genaamd BURN-E wordt door de SUPPLY-R, een magazijnrobot, naar buiten gestuurd om de lamp te vervangen. Terwijl hij bezig is, arriveert EVE’s schip bij de luchtsluis aan en vliegt naar binnen. BURN-E wordt afgeleid door WALL•E en laat de lamp vallen.
Een mysterieuze zelfmoord en een reeks onbemande weglopers van robots leiden tot een politieonderzoek naar de verdachte software aan boord van duizenden industriële robots in Tokio.
De jonge robot Rodney Copperbottom is de zoon van een arme bordenwasser. Hij verhuist naar Robot City, in de hoop het daar te maken als uitvinder. Dit blijkt echter niet mee te vallen: zijn idool Bigweld is nergens te vinden, en zijn bedrijf wordt gerund door de op geld beluste robot Ratchet.
Daryl, een tienjarig jongetje, wordt op een dag zwervend in de bossen gevonden. Hij heeft geheugenverlies. Via een kindertehuis komt hij bij een kinderloos echtpaar terecht. Daar lijkt hij zich te ontwikkelen tot een geniaal kind: hij is zijn klasgenootjes ver vooruit en maakt zich alle leerstof supersnel eigen.
Op de Rainbow Bridge in Odaiba, Tokio vindt een aanval plaats door de gevechtshelikopter 'Gray Ghost'. 2 dagen eerder was de Gray Ghost gestolen. De daders zijn volgelingen van Yukihito Tsuge. Yukihito Tsuge plande 13 jaar eerder een staatsgreep in Tokio. De leider van Special Vehicle Section 2, Keiji Gotoda, gaat op pad om de terroristen te stoppen.
Na een grote atoomoorlog zijn de meeste mensen gestorven of gruwelijk verminkt. De enige andere wezens die nog op de planeet kunnen overleven zijn feeën, elfen, tovenaars en monsters. Maar ook zij kunnen het niet al te best met elkaar vinden, totdat er op een dag twee elfenkinderen geboren worden, die wel eens over het lot van de aarde zouden kunnen beslissen.
Na afloop van de Derde Wereldoorlog is elke vorm van oorlog met frontsoldaten verboden en de conflicten worden nu uitgevochten met gigantische robots, bestuurd door de allerbeste piloten. Achilles is zo een toppiloot en moet op een gegeven moment de strijd aanbinden met een robot van de vijand om uit te maken wie heerschappij over de staat Alaska krijgt.
Een vredelievende planeet wordt aangevallen door gemene wezens. De leiders van de planeet besluiten een groep van 7 huurlingen in te huren om de aliens te verjagen. De huurlingen zijn een nogal divers gezelschap en onder leiding van Cowboy (Peppard) trachten zij de planeet te redden. Losjes gebaseerd op Shichinin no Samurai.
In het jaar 2074 maakt het Pinwheel bedrijf een cyborg genaamd Cassandra Reese, die bijna een normaal mens is. Ze is ontworpen om door middel van verleiding in hoofdkwartiers te komen, om vervolgens te ontploffen. Het gaat echter helemaal verkeerd wanneer ze gevoelens krijgt voor Colson Ricks, een mens. Hij valt ook voor haar en met de hulp van Mercy ontsnappen ze uit het bedrijf. PinWheel stuurt Danny Bench achter ze aan om ze te vermoorden.