Dalam film ini diceritakan pada tahun 2035 Semua orang di dunia bergantung pada robot, yang diprogram khusus untuk membantu manusia dan tidak menyakiti manusia dengan cara apapun. Tapi satu orang tidak berpikir bahwa robot dapat membantu yaitu Detektif pembunuhan Chicago Del Spooner. Suatu hari, ia menerima telepon dari Amerika Serikat Robotika (USR) tentang kematian ilmuwan robot terkenal Dr Alfred J. Laning yang baru-baru terjadi. Spooner segera menyalahkan kejadian ini pada robot tanpa alasan yang dapat dibenarkan atau bukti. Kemudian, ia memulai penyidikan kematian Lanning, hanya untuk menemukan Sonny, robot yang "unik". Spooner tidak sadar, bahwa sesuatu yang akan terjadi. Sesuatu yang bahkan melebihi impian Spooner itu. Dengan bantuan Dr Susan Calvin, Spooner harus menemukan kebenaran sebelum terlambat.

Pada tahun 2035, masyarakat tergantung pada bantuan robot. Robot ini memiliki tiga hukum terintegrasi ke dalam sistem mereka.

• Mereka tidak bisa melukai manusia atau, melalui tidak bertindak, memungkinkan manusia untuk datang untuk menyakiti.
• Mereka harus melakukan apapun yang diperintahkan oleh manusia selama perintah seperti itu tidak bertentangan dengan hukum satu.
• Mereka harus mempertahankan diri selama pertahanan seperti itu tidak bertentangan dengan undang-undang satu atau dua.