Em 2035 a existência de robôs é algo corriqueiro, sendo usados constantemente como empregados e assistentes dos humanos. Os robôs possuem um código de programação chamado Lei dos Robóticos, que impede que façam mal a um ser humano.

Esta lei parece ter sido quebrada quando o Dr. Miles aparece morto e o principal suspeito de ter cometido o crime é justamente o robô Sonny. Caso Sonny realmente seja o culpado, a possibilidade dos robôs terem encontrado um meio de quebrarem a Lei dos Robóticos pode permitir que eles dominem o planeta, já que nada mais poderia impedi-los de subjugar os seres humanos.

Para investigar o caso é chamado o detetive Del Spooner (Will Smith) que, com a ajuda da Dra. Susan Calvin (Bridget Monayhan), precisam desvendar o que realmente aconteceu.