Planète Terre, 2035. Le robot est devenu l'assistant à tout faire indispensable à tout humain. Dans ce contexte, l'inspecteur Del Spooner (Will Smith) de la police de Chicago, robophobe notoire, est chargé d'enquêter sur le meurtre du Docteur Miles Hogenmiller, dans lequel un robot, Sonny (Alan Tudyk), semble impliqué. Pour cela, il devrait avoir enfreint les lois de la robotique qui disent, entre autres, qu'un robot ne peut en aucun cas faire de mal à un être humain.