在未来世界里，天才科学家天马博士（尼古拉斯·凯奇配音）因失去爱子而创造出机械人阿童木（弗莱迪·海默配音），期望通过这种方式填补内心的空白。尽管阿童木拥有类似其已故儿子的情感及记忆，并不断优化提高他的人情味，但博士依然无法走出丧子阴影，将阿童木视若异类加以抛弃。最终，阿童木成了流浪者，遭受军方的广泛搜寻并在被捕之后被强制摘除了能量核心，意图将其用于机器人的能源供给之中。在危急关头，天马博士顿悟过来帮助阿童木逃脱。在此过程中，为了抵抗军队的围剿，阿童木也开始采取行动进行反抗；终极对抗一触即发。经过一段时间的成长，阿童木逐渐接受自身的身份—半机械人形态，并承担起保卫整个地球安全的重大使命。