21世紀中期，溫室效應累積的惡果已經使世界面目全非，兩極冰冠消融，海平面上升，像威尼斯、紐約這樣的城市已經不復存在。以最低的能耗謀求發展成為人類的指導方針，機器人得以普及，其製造技術取得了突破性的進展，科學家已經能夠製造出外表與人無二的機器人。套用當時科學界的理論來說，這種類人機器人與真人的關鍵區別僅在於他們不能區分什幺是真正的愛——儘管只要打開他們身上控制愛的開關，他們就會對主人報以無限的愛。
溫斯頓夫婦本來有一個兒子馬丁，但他十一歲時卻被醫生宣布為要永遠躺在醫院的休眠艙中。為了給妻子莫尼卡的生活增添樂趣，溫斯頓領養了小機器人大衛。
一開始，大衛的出現讓莫尼卡驚慌失措，無法接受。但很快地，天真的大衛就贏得了莫尼卡的喜愛。然而，這種和諧的生活卻被莫尼卡真正的兒子馬丁的突然康復所打破。馬丁把這個趁他不在闖入家中的兄弟當成機器玩具，並利用大衛的天真，屢屢在小機器人和母親莫尼卡之間製造裂痕。終於，在溫斯頓的堅持下，莫尼卡將大衛和他的玩具機器熊特德一起拋到了郊外。
流浪過程中，大衛遇到了“機器人舞男”喬，並和他一起遭圍捕隊捕獲。他們和其它一些機器人被關進鐵籠，帶到了一家以殘害機器人吸引顧客的娛樂中心。在這裡大衛目睹了機器人被人用各種殘忍方法殘殺的恐怖景象。當大衛也被拉到台上，他哭喊着求救。他不相信其它機器人所說的“機器人都會有這樣的結局”，他不想這樣死去，他想念媽媽，渴望像真正的人一樣生活，享受愛與被愛。終於，人性中的博愛與良知被喚醒，觀眾們沖向舞台。大衛、特德和喬乘亂逃脫。
變成人類的夢想主導着大衛的思想。喬幫助他來到一座被海水浸泡的城市，因為據說只有霍比博士一個人有可能讓大衛夢想成真，而他就住在這裡。
儘管大衛的表現已經超越了正常機器人的行為準則，但霍比博士仍給了一個令他絕望的回答：機器人變成人太難，以至於根本沒有這種可能。
大衛躍入大海，他難以接受這種現實。喬將他從海底救起，二人相依在殘破巨廈的樓頂。這時一隻飛船幽靈般地趕到，捉走了喬。
大衛帶着特德駕駛飛船來到海底。在一座沉入海底的女神像前，熄滅了飛船的發動機。他一遍一遍地向女神祈禱，祈求她讓他變成真正的人。女神的臉上掛着的是一成不變的微笑。大衛不斷地祈禱，直到世界滄桑巨變。他就那樣一動不動，大大的雙眼透過無邊的黑暗搜索希望，一天又一天，任兩千年的歲月悄然而逝。
一隻纖細的手拂去大衛飛船舷窗上厚厚的沉積物，大衛被驚醒了。他蹣跚地走出飛船，外面的海底已變成陸地，只有他前面的長着翅膀的女神笑容依然。大衛伸出手，可是剛一接觸到女神，它便在頃刻間坍塌，化為碎片。這時，一個四肢退化得細若麻稈的人將手搭在大衛的頭上，於是他所有的記憶以及思想都釋放出來。
後來大衛才知道，他已經身處兩千年後的世界，兩千年前的人類已經滅絕，新人類希望通過他解開人類之謎。
大衛請求未來人讓他的母親復活，未來人告訴他，沒有DNA信息他們也無能為力。當特德從體內掏出了一綹莫尼卡的長發時，未來人答應了大衛的請求，但同時提醒大衛：他們的技術只能讓他的母親存活一天。
這一天，大衛就像一個離開母親多年的浪子，像一個真正的男孩，將自己內心積存的對母親的摯愛盡情釋放。他沒有告訴母親事情的真相，他要用愛使母親度過最快樂的一天。這天夜晚，莫尼卡幸福地睡去了，這一睡意味着永遠。
大衛也睡去了，這是他一生中第一次睡著了，夢中他去了他想去的地方，那是他的家。