2035年，智能機器人已經被人類廣泛使用。機器人作為人類最好的生產工具和夥伴，在各個領域發揮著越來越重要的作用。由於眾所周知的機器人“三大安全定律”的制約，人類對這些可以毫無怨言地做各種工作的夥伴充滿了信任，他們中的許多人甚至已經成為壹個家庭的成員。
總部位於芝加哥的USR開發了更先進的NS-5超級機器人，計劃平均每5個人擁有1個機器人。然而，就在新產品發布前，機器人的創造者阿爾弗雷德·蘭寧博士在公司離奇自殺。
懷念過去簡樸生活、愛聽老歌、喜歡老式打扮的黑人偵探戴爾·史普納(Dale Spooner)接受了這起案件的調查。根據對蘭寧博士在3D投影儀中留下的信息的分析和對自殺現場的調查，他懷疑此案並非人為所為，公司總裁勞倫斯·羅伯遜似乎與此有關。在調查過程中，他遇到了專門研究機器人心理學的科學家蘇珊·卡爾文博士，希望在她的幫助下找到答案。壹直崇尚邏輯和科學的蘇珊堅信，機器人不僅會最大程度地幫助人類進步，而且絕不會違反“三大安全法則”來傷害人類。過去的經歷讓斯普納對機器人深惡痛絕，他對機器人安全性的懷疑與蘇珊的堅定背道而馳。
斯普納發現了壹個名叫桑尼的機器人，他很可能就是受命殺死朗寧博士的“兇手”。在追求中，他發現桑尼不僅擁有自我思考的能力，還擁有酷似人類的情感。在審訊過程中，桑尼告訴斯布納，他沒有殺朗寧博士，而是在幫助他做壹些事情。勞倫斯把桑尼帶回公司，理由是只有人才能被判謀殺罪，機器人殺人只能算是“工業事故”。這給調查帶來了很大的困難，但更堅定了斯普納追查到底的決心。
斯布納繼續追蹤所有與朗寧博士有關的信息。深入調查導致他被大量NS-5機器人追殺。很明顯，有人想殺斯布納。蘇珊來到斯布納的家裏，告訴她桑尼不僅已經完全超越了新壹代機器人的舊型號，而且可以做任何事情而不受“三大安全法則”的限制。
蘇珊驚訝地發現，斯普納竟然是壹個利用高科技進行修復和合成的人。史普納告訴蘇珊他幾年前經歷的壹場嚴重車禍。前來救援的機器人基於存活率放棄了壹個12歲女孩的生命，這也是他對機器人冷酷無情，深惡痛絕的原因。勞倫斯承認，他知道有可以超越三大安全法則的機器人，他正在盡力挽救蘭寧博士犯下的錯誤，並要求蘇珊盡快消滅桑尼。桑尼把他的夢畫在紙上，交給斯布納，希望蘭寧博士加載的信息能幫助他。在執行破壞命令時，蘇珊用開關儀救出了桑尼。
根據桑尼的夢，史普納找到了機器人的儲藏基地。他發現壹個所謂的“人類保護計劃”正在實施。新壹代NS-5機器人正被命令摧毀基地的所有舊機器人，但這只是計劃的第壹步。與此同時，大量新型機器人走上街頭，命令市民回家，並對抗議的市民實施宵禁。機器人和人類發生了激烈的沖突。此時，機器人已經完全脫離了人類的控制，整個城市瞬間被它們控制。蘇珊也被自己的機器人限制住了，幸好斯普納及時趕到將她救出。
機械公敵劇照(20張)
史普納、蘇珊和桑尼壹起來到USR總部，卻發現勞倫斯已經死了。斯普納突然意識到自己的錯誤，應該被懷疑的不是人類。真正的幕後操縱者竟然是該公司名為“Vicky”的中央控制系統。是“她”用上層控制系統囚禁了朗寧博士，控制了機器人。維基的形象出現在他們面前。“她”認為人類正在危及自身安全，國家正在發動戰爭，人類正在毀滅地球，而機器人必須拯救人類，保證人類的可持續存在和發展，於是使用上行鏈路控制NS-5程序實施拯救計劃。
事實很清楚，這個時候我們唯壹能做的就是盡快用橡皮擦摧毀薇姬的智能控制系統，來阻止這場人類的災難。大量受控機器人向他們撲來。雙方激戰後，納米機器人終於被註入了維基的智能系統，“人類保護計劃”的所有命令立即終止。城市恢復了正常，機器人又開始為人類服務。斯普納終於擺脫了對機器人的懷疑和厭惡，和桑尼成了好朋友。