21世纪中期，温室效应累积的恶果已经使世界面目全非，两极冰冠消融，海平面上升，像威尼斯、纽约这样的城市已经不复存在。以最低的能耗谋求发展成为人类的指导方针，机器人得以普及，其制造技术取得了突破性的进展，科学家已经能够制造出外表与人无二的机器人。套用当时科学界的理论来说，这种类人机器人与真人的关键区别仅在于他们不能区分什幺是真正的爱——尽管只要打开他们身上控制爱的开关，他们就会对主人报以无限的爱。
温斯顿夫妇本来有一个儿子马丁，但他十一岁时却被医生宣布为要永远躺在医院的休眠舱中。为了给妻子莫尼卡的生活增添乐趣，温斯顿领养了小机器人大卫。
一开始，大卫的出现让莫尼卡惊慌失措，无法接受。但很快地，天真的大卫就赢得了莫尼卡的喜爱。然而，这种和谐的生活却被莫尼卡真正的儿子马丁的突然康复所打破。马丁把这个趁他不在闯入家中的兄弟当成机器玩具，并利用大卫的天真，屡屡在小机器人和母亲莫尼卡之间制造裂痕。终于，在温斯顿的坚持下，莫尼卡将大卫和他的玩具机器熊特德一起抛到了郊外。
流浪过程中，大卫遇到了“机器人舞男”乔，并和他一起遭围捕队捕获。他们和其它一些机器人被关进铁笼，带到了一家以残害机器人吸引顾客的娱乐中心。在这里大卫目睹了机器人被人用各种残忍方法残杀的恐怖景象。当大卫也被拉到台上，他哭喊着求救。他不相信其它机器人所说的“机器人都会有这样的结局”，他不想这样死去，他想念妈妈，渴望像真正的人一样生活，享受爱与被爱。终于，人性中的博爱与良知被唤醒，观众们冲向舞台。大卫、特德和乔乘乱逃脱。
变成人类的梦想主导着大卫的思想。乔帮助他来到一座被海水浸泡的城市，因为据说只有霍比博士一个人有可能让大卫梦想成真，而他就住在这里。
尽管大卫的表现已经超越了正常机器人的行为准则，但霍比博士仍给了一个令他绝望的回答：机器人变成人太难，以至于根本没有这种可能。
大卫跃入大海，他难以接受这种现实。乔将他从海底救起，二人相依在残破巨厦的楼顶。这时一只飞船幽灵般地赶到，捉走了乔。
大卫带着特德驾驶飞船来到海底。在一座沉入海底的女神像前，熄灭了飞船的发动机。他一遍一遍地向女神祈祷，祈求她让他变成真正的人。女神的脸上挂着的是一成不变的微笑。大卫不断地祈祷，直到世界沧桑巨变。他就那样一动不动，大大的双眼透过无边的黑暗搜索希望，一天又一天，任两千年的岁月悄然而逝。
一只纤细的手拂去大卫飞船舷窗上厚厚的沉积物，大卫被惊醒了。他蹒跚地走出飞船，外面的海底已变成陆地，只有他前面的长着翅膀的女神笑容依然。大卫伸出手，可是刚一接触到女神，它便在顷刻间坍塌，化为碎片。这时，一个四肢退化得细若麻秆的人将手搭在大卫的头上，于是他所有的记忆以及思想都释放出来。
后来大卫才知道，他已经身处两千年后的世界，两千年前的人类已经灭绝，新人类希望通过他解开人类之谜。
大卫请求未来人让他的母亲复活，未来人告诉他，没有DNA信息他们也无能为力。当特德从体内掏出了一绺莫尼卡的长发时，未来人答应了大卫的请求，但同时提醒大卫：他们的技术只能让他的母亲存活一天。
这一天，大卫就像一个离开母亲多年的浪子，像一个真正的男孩，将自己内心积存的对母亲的挚爱尽情释放。他没有告诉母亲事情的真相，他要用爱使母亲度过最快乐的一天。这天夜晚，莫尼卡幸福地睡去了，这一睡意味着永远。
大卫也睡去了，这是他一生中第一次睡着了，梦中他去了他想去的地方，那是他的家。
