Unos 20 años antes de que tenga lugar la historia, unas erupciones solares irradian la Tierra, matando a más del 99% de la población mundial. Los supervivientes se reúnen en una red de ciudades seguras y construyen robots humanoides primitivos, llamados Peregrinos, para ayudar a reconstruir y operar en el duro entorno. Estos robots tienen dos protocolos inalterables: no pueden dañar ninguna forma de vida y no pueden reparar, modificar o alterar ellos mismos u otros robots de ninguna manera. Considerados inicialmente como la salvación de la humanidad, son relegados al trabajo manual cuando no consiguen detener el avance de la desertización. La sociedad ha retrocedido debido a la falta de tecnología, aparte de los Peregrinos, ya que la falta de aviones funcionales u otros medios de transporte impide viajar y los coches son un bien escaso, y la humanidad está al borde de la extinción.

En 2044, Jacq Vaucan -investigador de seguros para ROC, la empresa que fabrica los Pilgrims- investiga un informe de Wallace, un agente de policía que disparó a un robot que, según él, se estaba modificando a sí mismo. Mientras Jacq busca un robot que sospechan que estaba robando piezas, lo lleva fuera de la ciudad. Cuando lo encuentra dentro de un contenedor de transporte, se prende fuego a sí mismo. Cuando él y un equipo abren el robot quemado para ver qué escondía, descubren que el robot tenía una rara batería nuclear que podía alimentar a un robot indefinidamente. Logran volver a alimentar al robot, pero cuando le pregunta por qué se prendió fuego, éste se vuelve a quemar.

Jacq rescata los restos y especula con su jefe, Robert, que puede haber un "relojero", alguien que modifica ilegalmente los robots, que está anulando el segundo protocolo. Incrédulo, Robert rechaza esta posibilidad pero ofrece a Jacq un traslado fuera de la ciudad si consigue encontrar pruebas. La esposa de Jacq, embarazada, rechaza inicialmente sus planes, pero acaba cediendo.

Jacq y Wallace investigan un burdel, donde encuentran a Cleo, un robot modificado al que Wallace dispara en la pierna. Cuando Jacq se opone, Wallace dice que el dueño de Cleo los llevará hasta el relojero; Wallace también amenaza con matar a Jacq si no se reparte las ganancias de la batería en el mercado negro. Jacq sigue al dueño de Cleo hasta un relojero llamado Dr. Dupré, quien afirma no saber quién alteró a Cleo, acción que destruiría la CPU de Cleo. Jacq le deja la CPU del robot quemado y le ofrece darle la batería si puede localizar información sobre el relojero. Cuando Dupré instala la CPU modificada en Cleo, ésta comienza a autorrepararse. Dupré se pone en contacto con Jacq, quien alerta a Robert; sin embargo, ROC intercepta el mensaje de Jacq y envía un equipo de asesinos al laboratorio de Dupré.

Dupré es asesinado, pero Jacq escapa en un coche conducido por Cleo. Cuando Cleo los lleva a un laberinto de puntales, ambos coches chocan; los asesinos mueren y Jacq resulta herida. Cleo lleva a Jacq con ella al desierto, donde se les unen otros tres robots, ninguno de los cuales obedece las órdenes de Jacq. Sin embargo, el primer protocolo les obliga a evitar su muerte. Desesperado por volver a la ciudad para estar con su mujer embarazada, Jacq se pone en contacto con Robert, que envía a Wallace a recuperarlo. Wallace amenaza la vida de Jacq y destruye a dos de los robots, que se han opuesto a sus acciones; Jacq mata a Wallace con una pistola de bengalas antes de que pueda destruir también a Cleo. El compañero de Wallace huye tras quitarle una batería a uno de los robots.

El jefe de Robert revela que el predecesor del primer Peregrino era una mente cuántica creada sin protocolos de seguridad y sin restricciones artificiales en su poder computacional. Antes de desactivarla, sus creadores le encargaron el diseño de los protocolos de seguridad que rigen a los Peregrinos. El jefe de Robert le informa de que nadie ha sido capaz de romper los protocolos de seguridad de los Peregrinos porque fueron creados por la mente cuántica sin restricciones y ROC limitó a propósito la potencia de cálculo de todas las IA posteriores. ROC obliga a Robert a acompañar a un equipo enviado a matar a Jacq y al desconocido relojero antes de que los robots puedan evolucionar más allá de la comprensión humana. Cuando Robert se opone a que secuestren a la esposa y a la hija de Jacq, Conway, el líder, le dispara y lo da por muerto. Mientras tanto, Jacq se encuentra con el robot responsable de modificar a los demás. El robot dice que él y los otros robots planean ir a la zona radiactiva donde los humanos no pueden ir. Al principio escéptico, Jacq acaba aceptando que el robot ha evolucionado de forma natural, como la humanidad. Tras una serie de discusiones filosóficas, Jacq les da su batería, que utilizan para completar un nuevo diseño, una especie de robot perro/insecto. Los robots reparan un vehículo para Jacq, y éste parte hacia la ciudad.

Cuando Conway llega al puesto de avanzada de los robots, destruye dos de los cuatro robots. Jacq encuentra al moribundo Robert y regresa al puesto de avanzada mientras Conway hiere a Cleo y mata al robot evolucionado. Jacq mata a todos los asesinos de la ROC menos a Conway, aunque éste resulta más herido en la batalla. Cuando Conway se prepara para matar a Jacq, el nuevo robot le salva la vida empujando a Conway por un precipicio. Jacq supera su desconfianza hacia el desinhibido robot cuando se reúne con su familia, y parte hacia la costa con ellos, mientras Cleo y el nuevo robot se adentran en el desierto irradiado, donde ningún humano puede seguirlos. Al llegar a la costa ven el océano, y descubren que la Tierra se está recuperando y que queda esperanza para los seres humanos.