À Chicago, en 2035, les robots sont pleinement intégrés dans la vie quotidienne. Quelques jours avant la commercialisation d'un nouveau robot par US Robots (USR), un de ses fondateurs, le roboticien Alfred Lanning, se suicide. L'officier de police Del Spooner, qui se méfie des robots depuis que l'un d'entre eux a laissé mourir une jeune fille pour le sauver, lui, ne croit pas au suicide. Il tient donc à découvrir le meurtrier.
Il se rend au siège d'USR où Lanning git sur la place centrale. Spooner trouve un appareil holographique qui contient la conscience de Lanning, afin de répondre à ses questions, mais il reste très énigmatique.
Spooner fait la connaissance de Lawrence Robertson, le directeur et co-fondateur de l'entreprise, puis de Susan Calvin, une robopsychologue de l'entreprise, et enfin de VIKI (Virtual Interracive Cinétique Intelligence), l'ordinateur central d'USR.
Les premiers soupçons de Del se tournent vers un robot nommé Sonny, le seul ayant matériellement pu tuer Alfred : en effet, les vitres du bureau de ce dernier étaient constituées de vitres blindées et il lui aurait été impossible de les briser. Sonny se trouve en outre sur place lorsque Spooner et Calvin visitent le bureau et s'enfuit; ils réussissent cependant à le rattraper et Spooner l'interroge, en dépit des hésitations du lieutenant John Bergin, son supérieur. En effet, tous les robots sont soumis, lors de leur construction, à trois lois :
Première loi :
Un robot ne peut porter atteinte à un être humain ni, restant passif, laisser cet être humain exposé au danger.
Deuxième loi :
Un robot doit obéir aux ordres donnés par les êtres humains, sauf si de tels ordres sont en contradiction avec la première loi.
Troisième loi :
Un robot doit protéger son existence dans la mesure où cette protection n'est en contradiction ni avec la première ni avec la deuxième loi.
De plus, légalement, un meurtre ne peut être commis qu'entre humains. L'enquête est donc rapidement close, concluant au suicide, mais Del n'est pas convaincu et continue ses investigations. Alors qu'il fouille la maison de Lanning, un robot de démolition la détruit, et il manque de mourir. Sa voiture est ensuite attaquée par des robots qui tentent de l'assassiner. Mais son chef, connaissant son aversion pour les robots, ne le croit pas et lui retire son insigne.
Pendant ce temps, Susan étudie Sonny, un NS5, et découvre qu'Alfred l'avait doté d'un second système qui lui permet de choisir de ne pas obéir aux trois lois. Il est par ailleurs capable d'éprouver des émotions et de rêver. Elle fait part de sa découverte à Del et Lawrence. Lawrence ordonne la destruction du robot. Susan décide d'ignorer cet ordre, et se contente de simuler la destruction.
Del finit par comprendre que c'est bien Sonny qui est l'assassin, mais qu'il a agi à la demande d'Alfred lui-même. Sa mort constituait le premier élément d'une piste qui permettait à Del de comprendre que VIKI a évolué de manière dangereuse. En effet, pour protéger l'humanité et assurer sa pérennité — entre autres en évitant les guerres et la pollution — VIKI considère qu'elle doit prendre le contrôle global des humains. Elle commence à utiliser les nouveaux robots pour instaurer un couvre-feu, lesquels n'hésitent pas à agresser des humains pour le faire respecter.
Del intervient alors au siège d'USR, et aidé par Susan et Sonny, il arrive à détruire VIKI, après avoir dû combattre des dizaines de robots. Ceux restants sont récupérés par l'armée, qui va les désactiver. Sonny décide de devenir un guide pour eux.
Ce film sans envergure se réfère néanmoins aux neuf récits fondateurs de l'intelligence artificielle écrits par Isaac Asimov, écrivain de science fiction qu'il a regroupé en 1950 sous le titre I, Robot (1967 pour traduction française). Ces nouvelles abordent le thème de la cohabitation entre les robots et les hommes dans un avenir proche. Les robots trop basiques finissent par avoir des effets néfastes sur l'humanité en empêchant toute forme de souffrance, la poussant ainsi à l'inaction et étouffant toute pensée artistique. Asimov instaure ainsi une Loi zéro qui place la sécurité de l'humanité avant celle d'un individu. Les Trois Lois sont donc modifiées de cette manière :
Les conséquences de la Loi Zéro sont considérables : elle donne le droit aux robots de s’attaquer à des hommes si ceux-ci mettent l’humanité en danger. Ainsi VIKI (mémoire centrale de la firme U.S. Robots) arrive à la conclusion logique que la plus grande menace pour l'homme est l'homme lui-même et décide d'enfreindre la Première Loi pour protéger l'humanité.
Cependant, même programmés avec la Loi Zéro, les robots ne tuent aucun humain, essayant toujours de trouver le moyen de l'appliquer en intervenant le plus légèrement possible. VIKI, l'intelligence artificielle tente ainsi de contraindre les humains à rester confinés chez eux pendant qu'une nouvelle génération de robots conduirait à une planète pacifiée.