机器人总动员的飞船来自于地球。
公元2700年，地球早就被人类祸害成了一个巨大的垃圾场，已经到了 无法居住的地步，人类只能大举迁移到别的星球，然后委托一家机器人垃圾清理公司善后，直至地球的环境系统重新达到生态平衡。
在人类离开之后，垃圾清理公司将机器人瓦力成批地输送到地球，并给他们安装了惟一的指令——垃圾分装，然而随着时间的推移，机器人一个接一个地坏掉，最后只剩下惟一的一个，继续在这个似乎已经被遗忘了的角落，勤勤恳恳地在垃圾堆中忙碌着，转眼就过去了几百年的时间，寂寞与孤独变成了围绕着他的永恒的主题。
然而，一艘突然而至的宇宙飞船打破了这里的平静，它还带来了专职搜索任务的机器人伊娃，当瓦力经历了几百年的孤独，终于见到了另一个机器人时，他觉得自己好像爱上她了。
伊娃在经过了精确的计算之后，数据显示出，看起来漫不经心的瓦力很可能是关乎着地球未来的关键所在，她通过宇宙飞船将自己的发现报告给人类，收到了将瓦力带离地球的指令——人类正想尽办法重回地球，所以他们不会放弃任何可能的机会。
于是瓦力追随着伊娃，展开了一次穿越整个银河系、最令人兴奋、也是最具有想象力的奇幻旅程。
