在遥远的未来，科学家天马博士（尼古拉斯·凯奇配音）因为失去爱子的痛苦，创造了机械人阿童木（弗莱迪·海默配音）来替代儿子的位置，寻求心灵的慰藉。阿童木拥有博士儿子的记忆和感情，并不断发展其情绪，让他具备同情心。然而，天马博士无法接受失去儿子的事实，对阿童木也不能正确对待，认为他不是人类而将其抛弃。阿童木被迫成为无家可归的流浪儿，同时也遭受军方的通缉。最终，阿童木被捕，并面临被军方拿走能源，变成机器人的命运。在关键时刻，天马博士醒悟过来，协助阿童木逃脱。面对军方的追捕，阿童木奋起反抗，引发惊天大战的局面。在不断的旅途中，阿童木渐渐成长，接受自己是机械与人类结合的设计，并承担起拯救全人类的重任。