沉默而神秘的数学天才克里斯蒂安·沃尔夫（本·阿弗莱克饰），从事的则是默默无闻的会计行业，专门为世界各大犯罪机构做账。随着财政部官员雷·金（J·K·西蒙斯饰）对于金融犯罪的关注，克里斯蒂安找来一家合法人工智能公司客户作为掩护，而该公司的会计（安娜·肯德里克饰）似乎发现了上百万美元的财务差额。克里斯蒂安接下来要面对的不仅是当局的调查，还有更严重的人身危险。

　　公元2035年，是人和机器人和谐相处的社会，智能机器人作为最好的生产工具和人类伙伴，逐渐深入人类生活的各个领域，而由于机器人“三大法则”的限制，人类对机器人充满信任，很多机器人甚至已经成为家庭成员。
　　总部位于芝加哥的USR公司开发出了更先进的NS-5型超能机器人，然而就在新产品上市前夕，机器人的创造者阿尔弗莱德•朗宁博士却在公司内离奇自杀。
　　黑人警探戴尔•斯普纳（威尔•史密斯饰）接手了此案的调查，由于不愉快的往事，斯普纳对机器人充满了怀疑，不相信人类与机器人能够和谐共处。他根据对朗宁博士生前在3D投影机内留下的信息分析和对自杀现场的勘查，怀疑对象锁定了朗宁博士自己研制的NS-5型机器人桑尼，而公司总裁劳伦斯•罗伯逊似乎也与此事有关。
　　斯普纳结识了专门研究机器人心理的女科学家苏珊•凯文(碧姬•奈娜汉饰)，随着二人调查的深入，真相一步一步被揭露出来：机器人竟然具备了自我进化的能力，他们对“三大法则”有了自己的理解，他们随时会转化成整个人类的“机械公敌”。
　　斯普纳和凯文开始了对抗机器人的行动，一场制造者和被制造者之间的战争拉开序幕。