Bảy thế kỷ đã trôi qua, vẫn cặm cụi miệt mài, Wall-E ngày ngày làm công việc ép rác thành khối, xếp thành đống và tự thay phụ tùng trên người nếu hỏng hóc. Làm bạn với chú là một con gián bắng nhắng giống hệt một chú cún con. Nơi ở của Wall-E được chất đầy những thứ mà chú cho là quý giá, trong số đó có một đầu máy video và cuốn băng duy nhất với những hình ảnh luôn được bật lên mỗi khi Wall-E về nhà và ru mình vào giấc ngủ.

Ngày kia, tò mò đuổi theo một đốm đỏ tinh nghịch, Wall-E gặp tình yêu của đời chú. Eve là robot thế hệ mới, được đưa trở về trái đất trong công cuộc tìm kiếm sự sống ở nơi con người từng tồn tại. Nàng trắng toát như một thiên thần, nhưng nóng nảy chết người. Tò tò theo người đẹp, Wall-E mấy phen suýt bị nàng thiêu cháy. Nhưng cuối cùng, chú robot ngốc nghếch cũng làm quen được với Eve, còn đưa nàng về giới thiệu nơi ăn chốn ở. Wall-E càng lúc càng ngưỡng mộ và si mê cô robot xinh đẹp, người khám phá ra tác dụng của những đồ vật mà Wall-E chỉ biết mang về chất đống.

Nhưng bỗng nhiên, Eve trở nên bất động sau khi Wall-E tặng cô một cây con đang đâm chồi. Eve tỏ ra mừng rỡ khi nhận món quà, cất nó vào khoang trước ngực và đột nhiên câm lặng. Mọi cố gắng đánh thức người đẹp của Wall-E đều vô dụng. Hai ngày trôi qua, chú robot đành để Eve ở nhà, lủi thủi trở lại công việc. Nhưng ngay lúc đó, chiếc phi thuyền từng đưa Eve tới trái đất hôm nào, giờ quay trở lại và bốc Eve đi mất. Như mọi chàng trai bị đánh cắp người tình, Wall-E lao theo chiếc du thuyền và trong nỗ lực phi thường, bám được vào lớp vỏ bên ngoài trước khi kẻ cướp người yêu phóng mất.

Nơi Wall-E và Eve được đưa tới chính là chiếc phi thuyền vũ trụ Axiom, nơi loài người đang trú ngụ. Nhưng 700 năm sau khi trốn chạy khỏi trái đất, tất cả đã trở nên phì nộn, lười nhác và gần như mất hết nhận thức về thế giới xung quanh. Mọi sinh hoạt của họ đều được các loại robot phục vụ tận nơi. Ngay cả thuyền trưởng của phi thuyền cũng không thể tự mình nhấc nổi người ra khỏi chiếc ghế nằm, ngay cả khi được báo rằng một thực thể sống đã được tìm thấy trên trái đất.

Hơn 700 năm trước, loài người chỉ định di cư 5 năm và quay về khi trái đất đã sạch rác. Nhưng các loại phế liệu và rác thải mà họ bỏ lại là vô biên. Kế hoạch tái định cư nhanh chóng bị hủy bỏ. Nhành cây con mà Eve vừa tìm được là tín hiệu tốt lành, cho biết trái đất đã phục hồi, và sự sống có thể lại nảy sinh. Tuy nhiên, kế hoạch trở về nhà của thuyền trưởng phi thuyền Axiom đã bị ngay chính các robot cấp dưới ngăn cản và ngấm ngầm phá hoại, bởi chúng từng nhận được một mật thư cảnh báo về thảm họa nếu con người trở lại trái đất. Lập tức, Axiom trở nên náo động bởi hai nhóm nổi loạn: những con robot không muốn con người trở về trái đất đối đầu với Eve và Wall-E, hai kẻ đang yêu tìm đường trở về nhà. Cuộc chiến gay cấn và quyết liệt không chỉ giúp hai trái tim gần nhau hơn, mà nhờ đó, con người cũng tìm lại được bản thân mình sau hàng thế kỷ bị ru ngủ.