A história se passa na Chicago de 2035, quando os robôs já estão totalmente integrados à sociedade. O cientista Dr. Lanning (James Cromwell) foi o pioneiro a lidar com tecnologia robótica, mas agora vive recluso. Will Smith é o detetive Del Spooner, que, mesmo tendo fobia de tecnologia, é obrigado a investigar um assassinato que acredita ter sido cometido por uma criação do Dr. Lanning. Spooner tem a ajuda da psiquiatra Susan Calvin (Bridget Moynahan), especialista na mente dos robôs, para resolver o caso.