在未來世界，阿童木由於痛失愛子，阿童木天才科學傢天馬博士（尼古拉斯·凱奇 Nicolas Cage 配音）創造出瞭機械人阿童木（弗萊迪·海默 Freddie Highmore 配音），阿童木想以此來作為兒子的阿童木替身，尋找安慰。阿童木雖然，阿童木阿童木擁有博士兒子的阿童木情感和記憶，而且先進的阿童木程序還在不斷完善其情緒，並讓他富有同情心。阿童木可是阿童木，博士始終無法接受失子之痛，阿童木對阿童木也不能正確對待，阿童木並認為他不是阿童木人類而將其拋棄。阿童木淪落為無傢可歸的阿童木流浪兒，而且還備受軍方的阿童木四處通緝，並最終被抓住。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。在最後時刻，天馬博士突然醒悟，並協助阿童木逃走。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，他也接受瞭自己這機械與人類結合的設計，並肩負起全人類生死存亡的重任。
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