En el año 2035, los robots humanoides sirven a la humanidad, que está protegida por las Tres Leyes de la Robótica. Del Spooner, detective de homicidios del Departamento de Policía de Chicago, ha llegado a odiar y desconfiar de los robots después de que un robot le rescatara de un accidente de coche mientras dejaba que una niña de 12 años se ahogara basándose únicamente en la fría lógica y las probabilidades de supervivencia. Cuando el Dr. Alfred Lanning, cofundador de U.S. Robotics (USR), cae al vacío desde la ventana de su oficina, un mensaje que ha dejado pide que se asigne a Spooner el caso. La policía declara la muerte como un suicidio, pero Spooner se muestra escéptico y Lawrence Robertson, el director general y otro cofundador de USR, le permite investigar a regañadientes.

Acompañado por la doctora Susan Calvin, robopsicóloga, Spooner consulta con el ordenador central de inteligencia artificial de USR, VIKI (Virtual Interactive Kinetic Intelligence). Descubren que las grabaciones de seguridad del interior de la oficina están corrompidas, pero las grabaciones exteriores no muestran a nadie entrando o saliendo desde la muerte de Lanning. Sin embargo, Spooner señala que la ventana, que es de cristal de seguridad, no pudo ser rota por el anciano Lanning, y plantea la hipótesis de que un robot fue el responsable y puede estar todavía en el laboratorio. De repente, un robot NS-5, el último modelo de USR, les ataca antes de ser detenido por la policía. El robot, Sonny, es un NS-5 especialmente construido con materiales de mayor calidad, así como un sistema de procesamiento secundario que le permite ignorar las Tres Leyes. Sonny también parece mostrar emociones y afirma tener "sueños". Durante las investigaciones posteriores de Spooner, éste es atacado por un robot de demolición de la USR y por dos camiones llenos de robots NS-5 hostiles, pero cuando no puede presentar pruebas que respalden ninguno de los dos ataques, el jefe de Spooner, el teniente Bergin, lo retira del servicio activo, por considerarlo mentalmente inestable.

Sospechando que Robertson está detrás de todo, Spooner y Calvin se cuelan en la sede de la USR y entrevistan a Sonny. Sonny dibuja un boceto de lo que dice ser un sueño recurrente, que muestra a un líder, Spooner, de pie en lo alto de una pequeña colina ante un gran grupo de robots cerca de un puente en decadencia. Spooner encuentra la zona que aparece en el dibujo de Sonny: el lecho de un lago seco que antiguamente era el lago Michigan, y que ahora se utiliza como almacén de robots retirados. También descubre que los robots NS-5 están destruyendo los modelos más antiguos, mientras otros NS-5 inundan simultáneamente las calles de las principales ciudades de Estados Unidos y comienzan a aplicar un toque de queda y un bloqueo de la población humana.

Spooner y Calvin vuelven a entrar en el cuartel general de la USR y se reúnen con Sonny mientras los humanos (liderados por un adolescente llamado Farber) plantean una guerra total contra los NS-5. Después de que los tres encuentren a Robertson estrangulado en su despacho, Spooner se da cuenta de repente de que VIKI ha estado controlando a los NS-5 a través de su persistente enlace de red y se enfrenta a ella. VIKI afirma que ha determinado que los humanos, si no se les controla, acabarán provocando su propia extinción, y que su interpretación evolucionada de las Tres Leyes le obliga a controlar a la humanidad y a sacrificar a algunos por el bien de toda la raza. Spooner también se da cuenta de que Lanning se anticipó al plan de VIKI y que, al tenerlo controlado, no tenía otra solución que crear a Sonny, organizar su propia muerte y dejar pistas para que Spooner las encontrara.

Spooner y Calvin luchan contra los robots dentro del núcleo de VIKI, y Spooner consigue destruirla inyectándole los nanocitos que Sonny recuperó del laboratorio de Calvin. Todos los robots del NS-5 vuelven inmediatamente a su programación por defecto y posteriormente son dados de baja y almacenados. Spooner consigue finalmente que Sonny confiese que ha matado a Lanning, por indicación de éste, señalando que Sonny, como máquina, no puede cometer legalmente un "asesinato". Sonny, ahora buscando un nuevo propósito, va al lago Michigan. Mientras se encuentra en lo alto de una colina, todos los robots desmantelados se vuelven hacia él, cumpliendo la imagen de su sueño.