在未來世界由于痛失愛子天才科學家天馬博士（尼古拉斯·凱奇 Nicolas Cage 配音）創造出了機械人阿童木（弗萊迪·海默 Freddie Highmore 配音）想以此來作為兒子的替身尋找安慰雖然阿童木擁有博士兒子的情感和記憶而且先進的程序還在不斷完善其情緒并讓他富有同情心可是博士始終無法接受失子之痛對阿童木也不能正確對待并認為他不是人類而將其拋棄阿童木淪落為無家可歸的流浪兒而且還備受軍方的四處通緝并最終被抓住軍方要求天馬博士拿掉阿童木的能源讓它變成軍方機器人的能源配備在最后時刻天馬博士突然醒悟并協助阿童木逃走面對軍方的圍追堵截阿童木奮起反抗最終一場驚世大戰一觸即發在不斷的旅行過程中阿童木也逐漸成長他也接受了自己這機械與人類結合的設計并肩負起全人類生死存亡的重任