在未来的世界里,科学家天马博士(尼古拉斯·凯奇Nicolas Cage配音)因为失去了自己的儿子,创造出了机械人阿童木(弗莱迪·海默Freddie Highmore配音),希望用它来填补心中的空虚。虽然阿童木拥有博士儿子的情感和记忆,并且不断完善自己的情感模拟能力,变得更加有同情心。然而,博士无法摆脱失子之痛,对阿童木的存在也始终抱有偏见,认为它不是真正的人类,最终将其遗弃。阿童木成了一名无家可归的流浪者,还被军方追捕,最终被抓住。军方要求天马博士关闭阿童木的能源,将其改造成为军方机器人的能源供应。在危急时刻,天马博士突然觉悟,并帮助阿童木逃脱。面对军方的追捕,阿童木奋起反抗,最终爆发了一场惊天大战。在旅途中,阿童木逐渐成长,吸收了自己作为机械人与人类合作的设计,肩负起了拯救全人类的重任。