В далеком будущем Земля превратилась в гигантскую свалку, непригодную для жизни. Люди давно покинули планету, оставив армию роботов для уборки мусора. Спустя 700 лет остался лишь один исправно функционирующий робот – ВАЛЛ·И (Вселенский Аннигилятор Ландшафтный Лёгкий Интеллектуальный). День за днём он методично собирает, прессует и складывает мусор в башни, находя среди отходов необычные предметы для своей коллекции. Единственными друзьями ВАЛЛ·И являются неубиваемый таракан и старая видеокассета с мюзиклом "Хелло, Долли!", которую робот пересматривает, мечтая испытать настоящую любовь и узнать, каково это — держаться за руки.

Однажды на Землю прибывает сверхсовременный робот-разведчик ЕВА, чья миссия — найти признаки возрождения жизни на планете. ВАЛЛ·И с первого взгляда влюбляется в изящную и мощную ЕВУ. Когда он дарит ей найденный им зелёный росток, она автоматически помещает растение внутрь себя и отключается, ожидая возвращения корабля. Преданный ВАЛЛ·И заботится о новой подруге, а когда за ней прилетает космический корабль, отправляется вслед за ней в опасное космическое путешествие. Впереди его ждёт встреча с человечеством и приключение, которое может изменить судьбу всей планеты.