“Le faccio una domanda dottoressa: pensare di essere l'ultimo sano di mente sulla terra, vuol dire essere pazzo? Perché se è così, io sono pazzo”
Nell'anno 2035, i robot sono parte della vita quotidiana. Con l'aiuto della dottoressa Susan Calvin, esperta di intelligenze artificiali, il detective Del Spooner investiga sulla morte del dottor Alfred Lanning, un brillante scienziato della U.S. Robotics ritrovato morto. Durante l'ispezione nella casa dello scienziato, Spooner trova un robot che cerca di nascondersi e lo arresta. Durante l'interrogatorio del robot, si scopre che questo automa di nome “Sonny” riesce a sognare e a provare emozioni, in particolare affetto verso il suo creatore, ovvero il dottor Lanning.
Una sera Spooner viene attaccato da dei robot che , scesi da due tir cercano di ucciderlo. L'agente si salva ma si scopre che è un cyborg, con un braccio cibernetico impiantatogli da Lanning. La dottoressa intanto scopre che Sonny è più avanzato rispetto agli altri robot. Il detective chiede a Sonny cosa abbia sognato e il robot gli descrive un posto sotto un ponte sul lago Michigan dove sono conservati migliaia di robot. Spooner capisce le malvagie intenzioni dei robot e grazie all'aiuto di Sonny e della dottoressa proverà a risolvere il mistero e la possibile catastrofe.