公元2035年，是人和机器人和谐相处的社会，智能机器人作为最好的生产工具和人类伙伴，逐渐深入人类生活的各个领域，而由于机器人“三大法则”的限制，人类对机器人充满信任，很多机器人甚至已经成为家庭成员。
　　总部位于芝加哥的USR公司开发出了更先进的NS-5型超能机器人，然而就在新产品上市前夕，机器人的创造者阿尔弗莱德•朗宁博士却在公司内离奇自杀。
　　黑人警探戴尔•斯普纳（威尔•史密斯 饰）接手了此案的调查，由于不愉快的往事，斯普纳对机器人充满了怀疑，不相信人类与机器人能够和谐共处。他根据对朗宁博士生前在3D投影机内留下的信息分析和对自杀现场的勘查，怀疑对象锁定了朗宁博士自己研制的NS-5型机器人桑尼，而公司总裁劳伦斯•罗伯逊似乎也与此事有关。
　　斯普纳结识了专门研究机器人心理的女科学家苏珊•凯文(碧姬•奈娜汉 饰)，随着二人调查的深入，真相一步一步被揭露出来：机器人竟然具备了自我进化的能力，他们对“三大法则”有了自己的理解，他们随时会转化成整个人类的“机械公敌”。
　　斯普纳和凯文开始了对抗机器人的行动，一场制造者和被制造者之间的战争拉开序幕。

又一具无法辨认身份的尸体被发现，当地警方在对于案件调查毫无进展的情况下邀请特别探员伊莲娜·斯科特（安吉丽娜·朱莉 Angelina Jolie 饰）协助调查。斯科特不按常理出牌的办案方式惹来同事皮卡特的不满，但是凭借敏锐的直觉和超常的洞察力，斯科特还是很快便理出头绪：罪犯嫌疑人马丁·阿什20年来以扮演他人生活为目的，每次行凶后都会扮演死者身份开始一段新的目活。康斯塔（伊桑·霍克 Ethan Hawke饰）是最后一次凶案的目击者，在配合斯科工作时两人互生好感，但介于警员身份，斯科特始终与他保持距离。在这宗连环凶案终结当日，两人内心深埋的感情最终迸发。就在两人发生关系的第二天，斯科特目睹詹姆斯于电梯中杀死嫌犯母亲，此时她才发觉自己正在掉入一个陷阱……
　　本片根据英国小说家迈克尔·派伊（Michael Pye）的同名小说改编。