西暦2035年、人間とロボットが共生する社会。 知能ロボットは最良の生産ツールとして、人間の生活のさまざまな分野に浸透しつつあった。しかし、ロボットには「三原則」という制約がある。 、人間はロボットに対する信頼に満ちており、多くのロボットが家族になっています。シカゴに本社を置くUSR社は、より高度なスーパーロボット「NS-5」を開発していたが、その新製品の発売直前に、ロボットの生みの親であるアルフレッド・ローニング博士が社内で謎の自殺を遂げた。この事件の捜査を引き継いだ黒人刑事デイル・スプーナー（ウィル・スミス演じる）は、その不快な過去のせいでロボットに対して疑念を抱いており、人間とロボットが調和して共存できるとは信じていない。ランギング博士が生前に3Dプロジェクターに残した情報の解析と自殺現場の捜査から、ランギング博士自身が開発したNS-5ロボット・ソニーが狙われたのではないかと疑い、社長のローレンスはロバートソンもこの件に関係していたようだ。スプーナーは、ロボットの心理学を専門とする女性科学者スーザン・ケビン（ブリジット・ニナハン）と知り合い、調査を進めるうちに、ロボットには実際に進化する能力があるという真実が徐々に明らかになる。 「三法」を理解すれば、いつでも人類全体の「機械の敵」に変貌する。スプーナーとケビンはロボットと戦い始め、製作者と製作者との間の戦争が始まった。