En medio del siglo XXI, el severo calentamiento global provocó que las capas de hielo de los polos se derritieran, inundaran las costas y reduzcan la población humana. Se origina una nueva clase de robots llamados Mecha, humanoides avanzados capaces de emular pensamientos y emociones. David, un modelo prototipo creado por Cybertronics de Nueva Jersey, es diseñado para parecerse a un niño humano y mostrar amor para sus poseedores humanos. Ellos analizan su creación con uno de sus empleados, Henry Swinton, y su esposa Jennifer.
El hijo de los Swinton, Martin, fue puesto en animación suspendida hasta que una cura pueda ser encontrada para su rara enfermedad. Aunque al inicio, Jennifer se muestra asustada de David, ella finalmente siente cariño por él después de activar su protocolo de impresión, que causa que David la ame, de la misma forma como cualquier niño amaría un padre. También se hace amigo de Teddy, un osito de peluche robótico, que vela por el bienestar de David.
Una cura es encontrada para Martin y por lo tanto, es llevado de vuelta a casa. Luego una rivalidad de hermanos ocurre entre Martin y David. Martin convence a David ir a donde Jennifer en medio de la noche, y cortar un rizo de su cabello, pero los padres se despiertan y se muestran muy enojados. En una fiesta de piscina, uno de los amigos de Martin activa el programa de autoprotección de David luego que es picado con un cuchillo. David se aferra a Martin y ambos caen a la piscina, donde el pesado David arrastra hasta al fondo mientras aún se aferra a Martin. Martin es rescatado, pero Henry queda impactado por las acciones de David, concluyendo que la capacidad de amar de David también le puede entregar la habilidad para odiar. Henry persuade a Jennifer regresar a David a Cybertronics, donde David será destruido. Sin embargo, Jennifer no puede hacerlo, y en su lugar, abandona a David en el bosque (junto a Teddy) para esconderlo como un Mecha no registrado. David es capturado por la anti-Mecha Feria de Carne, un evento donde los Mechas obsoletos son destruidos en frente de una ferviente ovación. David es casi asesinado, pero la multitud es sorprendida por la naturaleza realista (David, diferente a otros Mechas, suplica por su vida) y escapa, junto al Gigolo Joe (Jude Law), un Mecha prostituto en fuga luego de estar "involucrado" en un asesinato.
Los dos salen en búsqueda de la Hada Azul, quien David recuerda de la historia Pinocho. Está convencido de que la Hada Azul lo transformaría en un niño humano, permitiendo a Jennifer amarlo y llevarlo a casa. Joe y David hace su camino a Rogue City. La información de un motor holográfico de preguntas llamdo "Dr. Know" finalmente lo lleva a la cima del Centro Rockefeller en un Manhattan parcialmente cubierto de agua. Vuelan a Nueva York a través de un vehículo sumergible llamadoanfibiocoptero que robaron de la policía, en el momento que Joe fue arrestado pero logra liberarse por el disturbio, y acompaña a David. David conoce su creador humano, Profesor Hobby, quien emocionado cuenta a David que su búsqueda fue un examen, que demuestra la realidad de su amor y deseo. También queda claro que muchas copias de David ya se están fabricando, junto con las versiones femeninas. Triste, David se da cuenta que no es único. Un desesperanzado David intenta cometer suicidio cayendo del alféizar al océano, pero Joe lo rescata con el anfibiocoptero. David cuenta que vio el Hada Azul bajo el juego, y desea llegar a ella. En el momento, Joe es capturado por las autoridades con el uso de un electromagneto. David y Teddy toman el anfibiocoptero para ir donde el hada, que es una estatua de una atracción sumergida en Coney Island. Teddy y David se encuentran atrapados cuando la Rueda de la Maravilla cae en el vehículo. Creyendo que la Hada Azul es real, David pide que lo convierta en un niño de verdad, repitiendo su deseo sempiternamente, hasta que el océano se congela en otra era del hielo y la fuente de poder interno se acaba.
Dos mil años después, la humanidad está extinta, y Manhattan está enterrada bajo muchas capas de hielo glacial. Los Mecha han evolucionado en una forma humanoide muy avanzada de aspecto alienígena. Encuentran a David y Teddy, y descubren que ellos son Mechas funcionales que conocen la vida humana, haciéndolos especiales y únicos. David es revivido y camina a la congelada estatua de la Hada Azul, que se raja y colapsa cuando lo toca. Teniendo recuerdos, los Mechas avanzados los usan para reconstruir la casa de los Swinton y explican a David por medio de una imagen interactiva de la Hada Azul (Meryl Streep) que no es posible hacerlo humano. Sin embargo, en la insistencia de David, ellos recrean a Jennifer del ADN tomado del rizo de cabello que Teddy guardó. Desafortunadamente, el clon solo puede vivir por un día y el proceso no puede repetirse. David pasa el día más feliz de su vida con Jennifer y Teddy, y Jennifer dice a David que lo ama y siempre lo ha amado cuando se siente somnolienta para el momento final. David se acuesta a su lado, cerrando los ojos y fue a «ese lugar donde nacen los sueños». Teddy entra en la escena, sube a la cama y mira a David y Jennifer descansar plácidamente juntos.
