21世纪中叶，由于气候变暖，南北极冰盖融化，地球上许多城市都淹没在一片汪洋之中。此时人类的科技已经达到了相当高的水平，人工智能机器人就是人类为了应对恶劣的自然环境而发明的科技手段之一。高级人工智能机器人不仅拥有一个可以真实存在的人类外表，还能像人类一样感知自身的存在。大卫(海莉乔斯蒙饰)就是这样一个体贴又感性的小机器人。他被一对人类父母收养，有一个哥哥和一个亲密的伴侣，机器人泰德熊。但这些都不能满足大卫。他一直渴望有一天自己不再只是一个机器人。抱着这个愿望，11岁的大卫在另一个善良的机器人乔(裘德洛饰)的陪伴下，踏上了漫长的心路历程。谁也不知道他们能否如愿以偿，成为真正的人。等待他们的是复杂人性不可预知的追求。