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。
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