Eu robô

2035. Chicago. Em um mundo onde robôs existem para servir os humanos, o Detetive Del Spooner (Will Smith) é chamado para investigar a morte de seu velho amigo, o Dr. Alfred Lanning (James Cromwell), um funcionário da empresa US Robotics, comandada por Lawrence Robertson (Bruce Greenwood), que está prestes a colocar o modelo NS-5 no mercado.

Todos acreditam que tenha sido suicídio, mas Spooner acredita que Lanning tenha sido assassinado por um robô chamado Sonny (Alan Tuddyk), que foi encontrado no laboratório de Lanning, tentou fugir ao ser encontrado por Spooner e aparenta ser capaz de quebrar as Três Leis da Robótica desenvolvidas pelo próprio Lanning, que ditam que robôs não podem machucar humanos; devem obedecer humanos, caso isso não contradiga a Primeira Lei; e devem proteger a si mesmos, caso isso não contradiga a Primeira e a Segunda Leis.

Spooner é forçado a libertar Sonny por falta de evidência, e Robertson ordena que a robopsicóloga Dra. Susan Calvin (Bridget Moynahan) extermine Sonny com nanitas para que a possibilidade de um robô capaz de violar as Leis da Robótica não coloque em risco as vendas do NS-5. Porém, Calvin é incapaz de exterminar Sonny, que recebeu de seu pai uma personalidade própria e a capacidade de sonhar.

Enquanto isso, Spooner, seguindo pistas deixadas por uma gravação holográfica de Lanning, é atacado por um Robô-Demolidor enquanto investiga a casa do cientista e, mais tarde, emboscado por um exército de NS-5s em uma auto-estrada. As evidências de todos esses ataques são destruídas ou encobertas, o que leva Spooner a ser considerado problemático e suspenso por seu chefe, o Tenente John Bergin (Chi McBride).

Spooner pede ajuda a Calvin para investigar o caso e conta a ela que, muitos anos atrás, um caminhoneiro acidentalmente dormiu ao volante e tirou o carro de Spooner e o de uma família da estrada. Os dois veículos caíram rio abaixo, mas Spooner e a filha do casal sobreviveram. Um robô NS-4 viu o acidente e salvou Spooner, calculando que ele tinha mais chances de sobreviver do que a menina, que morreu afogada. Spooner culpou os robôs, que ele acredita são frios e incapazes de entender emoções humanas.

Calvin também descobre que Spooner perdeu um dos braços e metade do pulmão no acidente e que eles foram substituídos por membros cibernéticos por Lanning, o que dá a Spooner força ampliada. Ele acredita que Lanning estava sendo monitorado por Robertson, que havia descoberto que ele havia criado um robô com emoções. Os dois confrontam Robertson, que nega ter matado Lanning, e confrontam Sonny, que revela ter um sonho onde Spooner confronta os NS-4 no Lago Michigan, agora seco e usado como área de depósito de modelos robóticos ultrapassados.

Spooner vai até lá e encontra os NS-4 sendo destruídos pelos NS-5, que voltaram-se contra a humanidade, prendendo seus donos em suas casas, atacando e destruíndo todas as centrais de polícia, violentamente controlando multidões e exterminando outros robôs, que irão tentar salvar os humanos.

Spooner retorna ao centro da cidade, onde ele, Calvin e Sonny invadem a central da US Robotics, protegida por milhares de NS-5, para instalar as nanitas na central de comando de VIKI, uma Inteligência Artificial que comanda as instalações da US Robotics e corrompeu a programação dos NS-5 após chegar a uma conclusão de que ela está mais apta a comandar a Humanidade, e que o único jeito de salvar os seres humanos é oprimindo-os e instalando uma ditadura comandada por robôs.

Após uma grande batalha, Spooner consegue instalar as nanitas em VIKI, desativando-a e revertendo todos os NS-5 ao normal. Eles são desativados e enviados de volta para fabricação para que os defeitos instalados por VIKI para poder controlá-los sejam reparados. Spooner também descobre que Lanning programou Sonny para poder violar as Leis da Robótica e matá-lo, atraindo Spooner para o caso e providenciando-lhe as pistas necessárias para descobrir a conspiração através da projeção holográfica. Spooner promete não entregar Sonny e, com Robertson morto pelas mãos de VIKI, Sonny recebe permissão de juntar-se a seus irmãos no Lago Michigan, onde ele é eleito por eles como líder.