21世紀中期，溫室效應導致南北極冰川融化，人類發明的人工智能機器人被廣泛用于應對惡劣環境。先進機器人不僅外表逼真，還能感知自我存在。莫妮卡的兒子馬丁重病住院時，她領養了具有愛與忠誠程序的機器人小孩大衛（海利·喬·奧斯蒙特飾）。當馬丁奇跡康復返家后，因大衛無法被取代的地位引發情感沖突，莫妮卡最終將他拋棄。為逃避機器屠宰場的追殺，大衛在機器情人喬（裘德·洛飾）協助下踏上旅程，以尋找藍仙女雕像為線索，試圖通過實現"成為真正人類"的愿望重返莫妮卡身邊。歷經兩千年時光沉眠海底后，未來人類用克隆技術讓大衛與衰老的莫妮卡短暫重逢。在見證母親沉睡于晨光中時，大衛主動終止了自己的運行程序，完成了對人類之愛的永恒追尋。