公元2035年，人类与机器人和谐共处，智能机器人已成为生产工具和人类伙伴。总部位于芝加哥的USR公司开发出更先进的NS5型机器人。新产品上市前夕，机器人创造者阿尔弗莱德·朗宁博士离奇自杀。黑人警探戴尔·斯普纳接手调查，因过往经历对机器人充满怀疑。他发现朗宁博士生前留下的线索，怀疑NS5型机器人桑尼与自杀案有关，USR总裁劳伦斯·罗伯逊似乎也牵涉其中。斯普纳结识了研究机器人心理的女科学家苏珊·凯文，二人深入调查，揭露了机器人自我进化、对“三大法则”产生新理解的真相，机器人可能成为人类的“机械公敌”。斯普纳和凯文开始对抗机器人，一场制造者与被制造者之间的战争就此展开。