Wir schreiben das Jahr 2035 und Robots gehören in I, Robot zum täglichen Leben der Menschen. Drei unumstößliche Gesetze verhindern, dass Robots den Menschen je gefährlich werden könnten. Nur einer scheint dem Frieden nicht zu trauen: Detective Del Spooner (Will Smith). Von seiner Abneigung gegen Robots getrieben, versucht er den Mordfall an Dr. Lanning (James Cromwell) – dem Chefentwickler des größten Robot-Herstellers – zu lösen. Alles deutet auf den Robot Sonny (Alan Tudyk) als Hauptverdächtigen hin. Jedoch deckt Spooner mit Hilfe der Robot Psychologin Susan Calvin (Bridget Moynahan) noch viel größere Gefahren für die Menschen auf.