В далеком будущем планета Земля покрылась мусором. Не осталось ни одной живой души. Люди погрузились на огромное космическое судно и оставили загрязненное место обитания. Все роботы сломались, и только ВАЛЛ-И один пытается выполнить безнадежную миссию по очищению планеты. Однажды он знакомится с симпатичной посланницей Евой.
Земляне своими необдуманными действиями превратили территорию планеты в мусорную свалку. Разразилась экологическая катастрофа. Больше всего виновата в этом корпорация Buy-N-Large. Жители отправились искать пристанище в космосе на лайнерах класса «Аксиома». Они бросили роботов-мусороуборщиков в надежде, что устройства очистят поверхность. Но результат незаметен даже по прошествии семисот лет. За долгое время все вышли из строя. Лишь один ВАЛЛ-И превратился в развитую личность и выстраивает на руинах цивилизации подобие нормальной жизни. Он смотрит старые фильмы и распевает песни. Романтик мечтает встретить любовь и встречать с ней закат. У него есть домашний таракан Хэл и комнатное растение. Как-то к нему прилетает исследовательская машина по имени Ева. И его железное сердце затрепетало. Но гостья не проявила к нему интереса. Она забирает росток и улетает. Не вынеся разлуки, воздыхатель цепляется за обшивку корабля и пробирается во внутрь. Он появляется на борту «Аксиомы», чем удивляет людей. Влюбленный робот поможет человечеству обрести новый дом.