機器人9號（伊利亞·伍德 Elijah Wood 飾）在一片末世廢墟中突然覺醒，隨身攜帶刻有三個神秘符號的圓形裝置。他在逃亡途中偶遇發明家2號（馬丁·蘭道 Martin Landau 飾），獲得發聲能力后，目睹對方被機械怪獸掠走。9號隨后集結了老兵1號（克里斯托弗·普盧默 Christopher Plummer 飾）、機械工5號（約翰·C·賴利 John C. Reilly 飾）、瘋癲畫家6號（克里斯平·格洛弗 Crispin Glover 飾）和大力士8號（Fred Tatasciore 飾）。在與5號擅自行動營救2號時，9號意外觸發了終極機器獸的覺醒。面對威脅全人類存亡的危機，在女武士7號（詹妮弗·康納利 Jennifer Connelly 飾）的援助下，9號最終帶領同伴深入機械核心。科學家遺留的能量裝置被摧毀之際，9號以自我犧牲封印了毀滅性力量，并用最后的符號預言為世界留下新生火種，荒蕪大地終現生命復蘇的綠芽。