在未来世界，由于痛失爱子，天才科学家天马博士（尼古拉斯·凯奇 Nicolas Cage 配音）创造出了机械人阿童木（弗莱迪·海默 Freddie Highmore 配音），想以此来作为孩子,男孩,少年,男童的替身，搜寻,寻觅,查找,探寻安慰。虽然，阿童木拥有博士孩子,男孩,少年,男童的情感和记忆，而且先进的程序还在不断完善其情绪，并让他富裕,富足,殷实,丰裕同情心。可是，博士始终无法接受失子之痛，对阿童木也不能正确对待，并认为他不是人类而将其抛弃。阿童木沦落为无家可归的流浪儿，而且还备受军方的四处通缉，并最终被抓住。军方要求天马博士拿掉阿童木的能源，让它变成军方机器人的能源配备。在最后时刻，天马博士突然醒悟，并协助阿童木逃走。面临,直面,应对,应付军方的围追堵截，阿童木奋起反抗，最终一场惊世大战一触即发。在不断的旅行过程中，阿童木也逐渐老成,稳重,老练,练达,长大,发展,进步，他也接受了自己这机械与人类结合的设计，并肩负起全人类生死存亡的重任。