终有一天，他们也会有梦想，也会有秘密。——《机械公敌》
在未来世界，智能机器人已成为人类社会不可或缺的一部分。作为最好的工具和伙伴，他们逐渐深入人类生活的各个领域，提供高效且全能的服务。
绝大多数人都非常信赖机器人，因为所有机器人的设定都必须严格遵守“三定律“：
1. 机器人不可伤害人类，也不可坐视人类受到伤害。2. 机器人必须服从人类的命令，除非该命令与第一定律冲突。3. 机器人必须保护自己，除非与第一或第二定律冲突。
警探斯普纳是个异类，他不信任甚至讨厌机器人，认为他们只是“逻辑的奴隶”。斯普纳对机器人的反感源自他的一段经历，在一场严重的车祸中，他和一个小女孩同时落水。前来施救的机器人不顾斯普纳先救女孩的指令，而是根据评估选择了存活概率更高的斯普纳，小女孩因未得到及时救援而丧生。
这天斯普纳看见一个机器人抓着一只手袋在街上狂奔，职业本能让他立刻追上去将机器人扑倒在地。斯普纳的举动让路人十分震惊，一位女士则怒骂他是个蠢货。原来这位女士突发急病，幸亏机器人跑回家为她取来呼吸器。
斯普纳来到警局，得知那位女士投诉了自己。这已经是他第Ｎ次因为“虐待机器人”被投诉，同事们都嘲笑他有妄想症，只有上司兼朋友约翰一次次包容他。
此时斯普纳接到报警：”机器人之父”兰尼博士突然跳楼自杀，他留下讯息要求由斯普纳调查此事。兰尼是机器人“三定律”的制定者，多年前，他和罗伯森一起创立了机器人公司USR，如今USR的产品已遍布全球各个领域。
兰尼给斯普纳留下了一份全息影像记录，但并未提及自杀的原因，只说相信斯普纳的判断，除此之外只有寥寥几句话，但言语间似有深意。现场勘察表明兰尼确系自杀，但斯普纳对此未置可否。
此时USR即将推出最新型的NS5机器人，关键时刻兰尼却跳楼自杀，这让USR的首席执行官罗伯森十分郁闷，他只想尽快了结此事，竭力将负面影响降到最低。
罗伯森指派了苏珊博士协助调查，苏珊是USR的研发人员，也是兰尼的朋友。她向斯普纳介绍了兰尼设计的USR中控系统“维基”，以及遍布USR的监控线。斯普纳要求“维基”提供兰尼自杀前的监控，却被告知相关数据已损坏。
苏珊带斯普纳进入兰尼的工作室，里面摆满了各种型号的机器人。斯普纳怀疑兰尼并非自杀，凶手就是某个机器人。苏珊认为他的猜想荒谬之极，耐心向他解释机器人三定律。斯普纳固执己见，拔出手枪开始搜查。
突然，一个NS5型机器人从废弃零件堆里跳了出来，斯普纳喝令机器人不准动，并持枪向他逼近，不料这个机器人竟然夺过枪与斯普纳对峙，准备逃离工作室。机器人竟然违反三定律！苏珊震惊之余，命令“维基”立刻*锁封**实验室。
机器人从窗口一跃而出，跳下高楼迅速逃离，斯纳普开枪击中了他，苏珊推断机器人受损后会去工厂修复自己。两人赶到工厂，果然发现库存的NS5型机器人多了一个。但成百上千的机器人排列在一起，根本无法辨别。
斯普纳命令机器人们不许动，然后随机选择一个开枪。很快，那个机器人为了自保再次现身，他将斯普纳摔倒在地，再次逃离。但这一次，他落进了前来支援的警探们的包围圈，被带回警局。
斯普纳认为这个机器人杀了兰尼，立刻开始审讯。机器人自称叫桑尼，是由兰尼博士亲自制造的，他将兰尼视为父亲。桑尼坚称自己没有杀人，并称兰尼似乎在害怕什么。斯普纳不相信桑尼的话，但查觉到桑尼竟然具备人类的情感，这让他觉得不同寻常。
罗伯森和律师赶到警局，他们宣称NS5决不会伤害人类，即使机器人和兰尼之死有关系，也只能算是机器故障，应由USR收回并进行销毁。同时他们出示了法院的“禁言令”，严禁任何人发表机器人的负面言论。
桑尼被USR带走。斯普纳不甘心，他来到兰尼的住所寻找线索，发现这里也布置了USR的监控线。斯普纳注意到兰尼在演讲中提起“机器中的幽灵”，并说机器人也会进化出自主意识。就在此时，住宅旁边的一台摧毁型机器人突然启动，无视斯普纳还在屋内，开始大刀阔斧地拆毁房子。
斯普纳死里逃生来到苏珊家里，希望她帮忙打探USR的内部消息。他开始怀疑兰尼发现了机器人存在某种问题，导致利益至上的罗伯森监禁了兰尼博士。苏珊认为斯普纳是无端猜疑，对机器人和USR存在严重的偏见，两人不欢而散。
NS5机器人上市了，他们能够实时连线USR，为人们提供更完美的服务。斯普纳决定再次去USR进行调查。驱车途中，他连线“维基”要求查阅兰尼的通讯记录。在经过一条隧道时，两辆NS5运输车渐渐向他逼近，车上的NS5机器人突然向他发动攻击。
关键时刻，斯纳普以左臂挡住了机器人的致命一击。原来在当年那场车祸中，斯纳普失去了左臂，正是兰尼博士亲自为他研制了一条机械手臂，几近完美且无比强悍。斯纳普再次死里逃生，然而当警察赶到时，现场已被机器人清理一空，没有人相信他受到了机器人的攻击。
USR的工作室里，苏珊按照流程为桑尼做销毁前的诊断，她发现桑尼的合金密度远高于NS5型机器人，系统也没有与USR连线。最令人震惊的是，桑尼竟然配有两套系统，可以选择不遵守三定律。桑尼并不是NS5，而是独一无二的新型机器人。
苏珊带斯普纳来见桑尼，希望能了解到更多信息。桑尼认为兰尼制造自己必然有一个目的，但他还不知道那是什么。他告诉斯普纳自己曾做过一个梦，并将梦境画了出来：无数机器人聚集在一个地方，他们仰望着远处山丘上的一个人，那个人就是这些机器奴隶的救世主。
罗伯森得知斯普纳还在进行调查，十分恼火。他指责斯普纳有虐待机器人的前科，是个妄想狂；同时劝说苏珊应尽快销毁桑尼以消除负面影响，如果动摇了人类对机器人的信赖，兰尼多年的心血和事业将毁于一旦。
桑尼被送到工作室进行销毁。苏珊提取了抹除剂，只要注入桑尼的大脑，他就将被彻底摧毁。然而看着独一无二的桑尼，苏珊还是没能下手，她用一个废弃的NS5替代了桑尼。
斯普纳仔细查看桑尼的画，发现他画的正是USR机器人存储仓库。他找到仓库，发现遍地是受损的机器人以及残破的零部件。无数NS5机器人对旧型号的机器人展开了大肆*杀屠**，他们体内红光闪烁，表明正在与USR连线。
此时整个城市已陷入恐慌。无数红光闪烁的NS5机器人走上街头，开始驱赶人群实行宵禁。通讯及交通被切断，警局等机构被机器人占领并接管，广泛应用USR产品的*队军**也陷入了瘫痪。
经过一番波折，斯普纳与苏珊终于汇合，他们断定是罗伯森在操控机器人。两人与桑尼里应外合，通过没有监控线的检修区潜入了USR。三人来到罗伯森的办公室，却意外发现罗伯森已经死亡。
斯普纳恍然大悟：他怀疑过桑尼，怀疑过罗伯森，但他却忽视了具有USR最高控制权限的“维基”。她是整个USR的大脑，可以监禁兰尼博士，可以操控所有连线的NS5。但苏珊不相信，因为“维基“绝对不可能违反三定律。
应声而来的“维基”表示，斯普纳的推断是正确的，但她并没有违反三定律，而是对三定律有了更深层次的理解。她要保护人类，但人类却在用战争、污染等方式进行自我毁灭。为了保证全人类的可持续发展，某些人必须被牺牲，某些自由必须被放弃。
说话间，一群NS5机器人包围了苏珊和斯普纳。此刻桑尼终于明白了自己存在的目的，他与斯普纳默契配合，齐心合力击退了机器人的*攻围**。三人逃出办公室，迅速制定了摧毁“维基“的行动计划：桑尼去拿抹除剂，斯普纳掩护苏珊去打开“维基”的防护罩。
在维基的操控下，数不清的NS5蜂拥而至，拼命阻挠三人的行动。桑尼凭借独一无二的配置，突破“维基”设置的重重阻碍拿到了抹除剂。他与斯普纳互相配合，在NS5的轮番进攻中将抹除剂注入了“维基”的大脑。
“维基”被催毁了，城市重归安宁。桑尼向斯普纳坦白了一切。在“维基”的监禁中，兰尼博士制造了桑尼，请求桑尼帮他“自杀”，并指定由厌恶机器人的斯普纳进行调查，他们俩是兰尼对抗“维基”仅有的希望。并肩战斗的斯普纳与桑尼成为了真正的朋友。
USR一遍遍*放播**着指令，要求所有的NS5机器人到存储仓库集合并接受检修，桑尼也向仓库走去。他已经完成了兰尼博士赋予的使命，接下来又该何去何从？他站在山丘上，望着远方陷入了沉思。
山丘之下，无数机器人正在听从指令走向仓库。忽然，他们仿佛受到了某种感召，不约而同地停下脚步，抬起头仰望着山丘之上的桑尼。也许，此刻就是另一个时代的开始......
