Toda la película está ambientada en un futuro en el año 2035, donde el cual los robots forman parte de la vida cotidiana en la tierra y la principal fuerza laboral de la especie humana.
La compañía dedicada a la venta y diseño/construcción de Robots es USR por sus siglas en inglés United States Robotics (Robótica de los Estados Unidos). Will Smith, es un hombre que odia a los robots.
La historia comienza con el presunto suicidio de Alfred J. Lanning, ingeniero diseñador de robots y co-fundador de la compañía, creador del modelo NS-5 y amigo de Spooner. Esto hace sospechar al detective y deduce que fue asesinado, quien entrará en contacto con Susan Calvin, robopsicóloga jefe de la empresa.
Poco después, la Dr. Calvin descubre que el Dr. Lanning construyó a Sonny con una aleación más densa y lo dotó de un segundo cerebro positrónico, permitiéndole desobedecer las Tres leyes de la robótica. Al momento de descubrirlo, Susan le cuenta a Spooner, pero este, ya fue destituido de su cargo policiaco.
Durante la reunion, se descubre cual era la relación entre Spooner y Lanning y la razón por la que odia a los robots. La historia dice que Spooner estaba regresando de su día laboral cuando vio a una niña de 12 años llamada Sarah (que quería ser dentista) acompañando a su papá en un auto, cuando el conductor de un remolque embistió a los dos vehículos. En el momento, un robot vio el accidente y saltó al agua, pero, aunque Spooner le ordeno al robot que salvara a Sarah, este le salvo la vida a él calculando que Spooner tenía el 45% de sobrevivir, mientras que Sarah solo tenía el 11%. Para Spooner, el 11% de Sarah era suficiente para salvarla. Después del accidente, el Dr. Lanning reconstruyó todo el brazo izquierdo de Spooner al igual que su pulmón y costillas. Durante ese proceso, el doctor Lanning notó el odio de Spooner hacia los robots. Finalmente Spooner descubre que el ordenador central de la compañía, VIKI, un cerebro positrónico que dirige a todo este mundo altamente mecanizado (Chicago, Nueva York, Washington y Los Angeles), está tramando algo: para proteger a la humanidad de sí misma y de su instinto de autodestrucción, VIKI tiene en marcha una auténtica rebelión de robots.