때는 그린하우스(greenhouse) 영향에 의해 빙하들이 녹고, 불어오른 바다에 의해 많은 해안 도시들이 잠긴 후이다. 암스테르담, 베니스.. 뉴욕.. 영원히 사라졌다. 수많은 사람들이 추방 당했고, 기후는 엉망이 되었다. 가난한 나라에선 셀 수 없는 사람들이 굶어 죽고, 높은 수준의 재정이 살아남은 개발국의 대부분의 정부가 임신 허락에 대한 법적 제재를 시작했다. 때문에 절대 배고프지 않고 많은 자원을 소모하지 않는 '로봇'이야말로 복잡한 사회에서 경제적으로 필요 불가결하게 된 것이다.
 

극지방의 해빙으로 인해 도시들이 물에 잠기고 지구상의 모든 천연자원이 고갈되어 가는 어느 먼 미래. 인류의 과학문명은 천문학적인 속도로 발전하여 인공지능을 지닌 로봇을 개발하기에 이른다. 집안 일, 정원 가꾸기에서부터 오락 기능을 수행할 수 있는 로봇까지. 로봇이 인간의 편의를 위해 궂은 일을 대신하게 된다.
 

어느 날, 하비 박사(윌리엄 허트 분)는 로봇공학 발전의 마지막 관문이자, 논란의 쟁점이 되고 있는 '감정이 있는 로봇'을 만들겠다고 공언한다. 그는 로봇회사인 사이버트로닉스사에서 감정을 지닌 최초의 인공지능 로봇, 데이비드(할리 조엘 오스먼트 분)를 탄생시킨다. 데이비드는 사이버트로닉스사의 직원인 헨리 스윈튼(샘 로바즈 분)과 모니카(프란시스 오코너 분)의 집에 실험 케이스로 입양된다. 스윈튼 부부의 친아들 마틴은 불치병에 걸려 치료약이 개발될 때까지 냉동되어 있는 상태. 인간을 사랑하도록 프로그래밍된 데이비드는 모니카를 엄마로 여기며 점차 인간사회에 적응해간다. 하지만 아들 역할도 잠시, 마틴이 퇴원해 가족의 품으로 돌아오자 데이비드는 슈퍼토이 테디 베어와 함께 숲 속에 버려진다.
 

자신이 가장 사랑하는 사람으로부터 버림받은 데이비드. 하지만 그는 엄마로부터 들은 피노키오 동화를 떠올리며 마법의 힘으로 진짜 인간이 되어 잃어버린 엄마의 사랑을 되찾을 수 있다고 믿고 여행을 시작한다. 여행길에서 만난 남창 로봇 지골로 조(주드 로 분)는 데이비드의 여정에 동행한다. 황폐한 로봇들과 그들을 혐오하는 인간들 사이에서 악몽 같은 경험을 하게 되는 두 사이보그. 결국 수몰된 뉴욕까지 찾아가지만, 데이비드는 자신의 꿈에 대한 해결책을 찾지 못한 채 기능이 정지된다. 그로부터 2천년 후, 재생된 데이비드는 마침내 오랫동안 소망하던 사랑을 찾게 되는데.
 

나머지 시간은 데이빗이 언제나 꿈꿔왔던 가장 행복한 날이었다. 모든 문제들은 사라진듯이 보였다. 엄마의 마음에서. 거긴 헨리도 없었고, 마틴도 없었고, 슬픔도 없었고, 데이빗 뿐이었다. 데이빗은 모니카에게 아무 것도 설명하려고 하지 않았다. 그녀가 무서워 할 지도 모른다고.. 아무 일도 일어나지 않았다. 데이빗의 집으로의 여행은 오직 그만의 여행이었다. 그래서 그는 그녀의 기억에 없는 그림이 어떤 나쁜 영향을 미칠지는 몰랐다. 바로 그때 창문이 어두워지기 시작했다. 데이빗은 아무말 없이 차양을 쳤다. 그때가 바로 그가 기다려오던 그 영원한 순간이었다. 그리고 그 순간은 지나갔다. 모니카의 자는 소리와 함께 그냥 단순한 수면 이상의.. 그가 그녀를 흔들어 깨워야 했을까? 데이빗도 잠이 들었다. 그리고 태어나서 처음으로 그 곳으로 갔다. 따뜻한 꿈 속으로..