在人类灭绝、地球处于后世界末日状态的世界里，工人机为了生存并打败“杀手无人机”之类的流氓机器人而不断努力。

2013年，坊间突然流传一份未来的杀人事件表，上面所列人物几乎均已死亡。而现任东京帝国大学天才次元物理学教授沫岛黎士及其在某IT公司工作的未婚妻麻阳成为即将被猎杀的目标。黎士对此似乎早有心理准备，他通知麻阳早做防范，而自己却似乎未能跳脱历史“既定规律”，其名字最终出现在一家失事飞机的遇难者名单当中。正当麻阳沉浸在往昔美好的回忆之中悲痛欲绝的时候，一个与黎士一模一样的男人出现在他面前。该男子自称是代号ARXII-13的智能机器人，来自100年后的世界。他受神秘委托人差遣，确保麻阳不会被未来警察派出的智能杀手们杀害。

机器人9号（伊利亚•伍德 Elijah Wood 饰）突然醒来，发现身边的世界充满危机，四处残败，一片末世景象。9号带着一个画有三个奇怪符号的圆形物体逃到街上，幸遇发明家机器人2号（马丁•兰道 Martin Landau 饰）给自己装上了声音，但2号却不幸被机器怪兽抓走。9号找到了老兵1号（克里斯托弗•普卢默 Christopher Plummer 饰）、机械工5号（约翰•雷利 John C. Reilly 饰）、疯癫画家6号（克里斯品•格拉夫 Crispin Glover 饰）和大力士8号（弗雷德•塔塔绍尔 Fred Tatasciore 饰）。9号与5号擅自出行援救2号，危急时被女武士7号（詹妮佛•康纳利 Jennifer Connelly 饰）救下，但无意中9号却令终极机器兽复活。带着自己从哪里来以及生存使命的问题，9号决定想尽办法制服机器兽，拯救全世界……