I, Robot vie katsojat vuoteen 2035, tulevaisuuteen, jossa robotit ovat arkipäiväisiä kumppaneita ja työntekijöitä. Ihmiset luottavat niihin täysin, kunnes tapahtuu järkyttävä rikos, joka ravistelee tätä luottamusta.
Elokuvan päähenkilö on robottien pelosta kärsivä poliisi John Spooner (esittää Will Smith), joka saa tehtäväkseen tutkia U.S. Robotics -yhtiössä työskennelleen tohtori Alfred Lanningin (esittää James Cromwell) kuolemaa. Spoonerin apuna tutkimuksissa toimii psykologi Susan Calvin (esittää Bridget Moynahan), joka on erikoistunut robottien psykologisiin ilmiöihin.
Tutkimuksen kuluessa Spooner huomaa, että robotti nimeltä Sonny (esittää Alan Tudyk) vaikuttaa olevan vahvasti sekaantunut tähän verityöhön. Jos tämä pitää paikkansa, se tarkoittaa, että robotti on rikkonut yhtä robotiikan kolmesta peruslaista, mikä on ehdottomasti mahdotonta. Mikäli robotit kykenevät ohittamaan nämä lait, on ihmiskunnan tulevaisuus vaarassa, ja kysymys kuuluu: ovatko robotit jo valloittaneet maailman?
