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。

　　中情局获得情报，得知他们的特工中出了一个叛徒，准备将中情局布置在东欧的特工名单出卖给外国特工组织。在特工头目吉姆（乔恩•沃伊特JonVoight饰）的策划下，伊森（汤姆•克鲁斯TomCruise饰）所住的一组特工赶往了他们交易的地点。
　　岂料，当他们按计划赶到时，却中了埋伏，一组人中除了伊森和吉姆的妻子克莱尔，其他队员都被杀害。这时，伊森的账户无端端多出了12万美金。伊森成了内鬼的最大的嫌疑犯。
　　无奈之下，伊森只能凭个人之力独闯龙潭虎穴去找出出卖他们的内奸。他和外国间谍组织的接头人麦克斯取得联系后，答应帮麦克斯偷出中情局的间谍名单以交换中情局内鬼的名字。