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“2035年，这是个机器的时代！”这不仅仅指那些已经高度发达的机械化大生产，充满成熟科技的生活用品和家用电器，它作为机器人公司的一句广告语，更多地是表明那些已经渗透入人类生活的智能机器人。作为最好的生产工具和人类伙伴，机器人开始在各个领域扮演着日益重要的角色，而由于众所周知的机器人三大法则的限制，人类对这些能够胜任各种工作且毫无怨言的伙伴充满信任，它们中的很多甚至已经成为了一个家庭的组成成分。
芝加哥警探戴尔•史普纳(威尔•史密斯 饰)一直对机器人充满怀疑，他不相信人类与机器人能够合谐共处，而这种疑问终于因为一起凶杀事件而坚定：美国机器人研究中心的总工程师阿尔弗莱德•蓝宁博士被杀，而受到怀疑的就包括一名他自己研制的NS-5型高级机器人。上级派戴尔负责前往调查这宗案子，惊过周密的调查和分析，他发现机器人研究中心的负责人行迹可疑，而最后从研究中心泄露出秘密更加惊人：似乎已经有部分机器人开始不受控制了。
机器人研究中心为NS-5型高级机器人设计了控制程序，但随着机器人运算能力的不断提高，他们已经学会了独立思考，并且自己解开了控制密码，现在，它们已经是完全独立的群体，一个和人类并存的高智商机械群体，同时它们也随时会转化成整个人类的“机械公敌”。戴尔必须赶在机器人行动之前查清事情的真相，为此，他结识了专门研究机器人心理的女科学家苏珊•凯尔雯(碧姬•奈娜汉 饰)，他们要一起展开对抗机器人的行动，同时，他们还要应付那些意想不到的危险……
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