21世紀(jì)中期，溫室效應(yīng)累積的惡果已經(jīng)使世界面目全非，兩極冰冠消融，海平面上升，像威尼斯、紐約這樣的城市已經(jīng)不復(fù)存在。以最低的能耗謀求發(fā)展成為人類的指導(dǎo)方針，機(jī)器人得以普及，其制造技術(shù)取得了突破性的進(jìn)展，科學(xué)家已經(jīng)能夠制造出外表與人無二的機(jī)器人。套用當(dāng)時科學(xué)界的理論來說，這種類人機(jī)器人與真人的關(guān)鍵區(qū)別僅在于他們不能區(qū)分什幺是真正的愛——盡管只要打開他們身上控制愛的開關(guān)，他們就會對主人報以無限的愛。

　　溫斯頓夫婦本來有一個兒子馬丁，但他十一歲時卻被醫(yī)生宣布為要永遠(yuǎn)躺在醫(yī)院的休眠艙中。為了給妻子莫尼卡的生活增添樂趣，溫斯頓領(lǐng)養(yǎng)了小機(jī)器人大衛(wèi)。

　　一開始，大衛(wèi)的出現(xiàn)讓莫尼卡驚慌失措，無法接受。但很快地，天真的大衛(wèi)就贏得了莫尼卡的喜愛。然而，這種和諧的生活卻被莫尼卡真正的兒子馬丁的突然康復(fù)所打破。馬丁把這個趁他不在闖入家中的兄弟當(dāng)成機(jī)器玩具，并利用大衛(wèi)的天真，屢屢在小機(jī)器人和母親莫尼卡之間制造裂痕。終于，在溫斯頓的堅持下，莫尼卡將大衛(wèi)和他的玩具機(jī)器熊特德一起拋到了郊外。

　　流浪過程中，大衛(wèi)遇到了“機(jī)器人舞男”喬，并和他一起遭圍捕隊捕獲。他們和其它一些機(jī)器人被關(guān)進(jìn)鐵籠，帶到了一家以殘害機(jī)器人吸引顧客的娛樂中心。在這里大衛(wèi)目睹了機(jī)器人被人用各種殘忍方法殘殺的恐怖景象。當(dāng)大衛(wèi)也被拉到臺上，他哭喊著求救。他不相信其它機(jī)器人所說的“機(jī)器人都會有這樣的結(jié)局”，他不想這樣死去，他想念媽媽，渴望像真正的人一樣生活，享受愛與被愛。終于，人性中的博愛與良知被喚醒，觀眾們沖向舞臺。大衛(wèi)、特德和喬乘亂逃脫。

　　變成人類的夢想主導(dǎo)著大衛(wèi)的思想。喬幫助他來到一座被海水浸泡的城市，因為據(jù)說只有霍比博士一個人有可能讓大衛(wèi)夢想成真，而他就住在這里。

　　盡管大衛(wèi)的表現(xiàn)已經(jīng)超越了正常機(jī)器人的行為準(zhǔn)則，但霍比博士仍給了一個令他絕望的回答：機(jī)器人變成人太難，以至于根本沒有這種可能。

　　大衛(wèi)躍入大海，他難以接受這種現(xiàn)實。喬將他從海底救起，二人相依在殘破巨廈的樓頂。這時一只飛船幽靈般地趕到，捉走了喬。

　　大衛(wèi)帶著特德駕駛飛船來到海底。在一座沉入海底的女神像前，熄滅了飛船的發(fā)動機(jī)。他一遍一遍地向女神祈禱，祈求她讓他變成真正的人。女神的臉上掛著的是一成不變的微笑。大衛(wèi)不斷地祈禱，直到世界滄桑巨變。他就那樣一動不動，大大的雙眼透過無邊的黑暗搜索希望，一天又一天，任兩千年的歲月悄然而逝。

　　一只纖細(xì)的手拂去大衛(wèi)飛船舷窗上厚厚的沉積物，大衛(wèi)被驚醒了。他蹣跚地走出飛船，外面的海底已變成陸地，只有他前面的長著翅膀的女神笑容依然。大衛(wèi)伸出手，可是剛一接觸到女神，它便在頃刻間坍塌，化為碎片。這時，一個四肢退化得細(xì)若麻稈的人將手搭在大衛(wèi)的頭上，于是他所有的記憶以及思想都釋放出來。

　　后來大衛(wèi)才知道，他已經(jīng)身處兩千年后的世界，兩千年前的人類已經(jīng)滅絕，新人類希望通過他解開人類之謎。

　　大衛(wèi)請求未來人讓他的母親復(fù)活，未來人告訴他，沒有DNA信息他們也無能為力。當(dāng)特德從體內(nèi)掏出了一綹莫尼卡的長發(fā)時，未來人答應(yīng)了大衛(wèi)的請求，但同時提醒大衛(wèi)：他們的技術(shù)只能讓他的母親存活一天。

　　這一天，大衛(wèi)就像一個離開母親多年的浪子，像一個真正的男孩，將自己內(nèi)心積存的對母親的摯愛盡情釋放。他沒有告訴母親事情的真相，他要用愛使母親度過最快樂的一天。這天夜晚，莫尼卡幸福地睡去了，這一睡意味著永遠(yuǎn)。

　　大衛(wèi)也睡去了，這是他一生中第一次睡著了，夢中他去了他想去的地方，那是他的家。