在未來世界，由于痛失愛子，天才科學家天馬博士（尼古拉斯·凱奇 Nicolas Cage 配音）創造出了機械人阿童木（弗萊迪·海默 Freddie Highmore 配音），想以此來作為兒子的替身，尋找安慰。雖然，阿童木擁有博士兒子的情感和記憶，而且先進的程序還在不斷完善其情緒，并讓他富有同情心。可是，博士始終無法接受失子之痛，對阿童木也不能正確對待，并認為他不是人類而將其拋棄。阿童木淪落為無家可歸的流浪兒，而且還備受軍方的四處通緝，并最終被抓住。軍方要求天馬博士拿掉阿童木的能源，讓它變成軍方機器人的能源配備。在最后時刻，天馬博士突然醒悟，并協助阿童木逃走。面對軍方的圍追堵截，阿童木奮起反抗，最終一場驚世大戰一觸即發。在不斷的旅行過程中，阿童木也逐漸成長，他也接受了自己這機械與人類結合的設計，并肩負起全人類生死存亡的重任。
