En el año 2035, los robots están programados para vivir en perfecta armonía con los humanos y son parte de la vida cotidiana en la tierra. Cuando un brillante científico de U.S. Robotic Corporation aparece muerto, el Detective de Chicago Del Spooner (Will Smith) es llamado para llevar a cabo la investigación. Con la ayuda de la psicóloga robótica la Dra. Susan Calvin (Bridget Moynahan), el detective Spooner descubre la posibilidad de que un robot sea el principal sospechoso en el caso.
Pero a medida que se acerca a la verdad, Spooner tendrá que luchar por su propia vida al descubrir que unos robots «inteligentes» intentan sabotear la investigación. El tiempo se acaba, y una gran amenaza emerge del centro del mundo mecanizado, poniendo en peligro la existencia de la propia humanidad.
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