人間の日常生活が監視され、人間に代わってロボットが雑用や労働をこなしている時代。そんな中、愛という感情をインプットされた最初の少年型次世代ロボットとして誕生したデイヴィッド（ハーレイ・ジョエル・オスメント）は、彼を開発したサイバートロニクス・マニュファクチャリング社の従業員ヘンリー（サム・ロバーズ）とその妻モニカ（フランシス・オーコナー）に引き取られる。母親を永遠に愛し続けるようプログラムされていたデイヴィッドだったが、まもなく不治の病に冒されていた夫妻の実の息子マーティン（ジェイク・トーマス）が冷凍保存から生き返ったため、あっけなく捨てられてしまう。その時から、スーパートイのテディ（声＝ジャック・エンジェル）やジゴロ・ロボットのジョー（ジュード・ロウ）を連れだったデイヴィッドの旅がはじまった。再び母に愛されることを目的に…。そして2000年後。地球は氷河期を迎え、従来の人類は絶滅していた。海底で眠っていたデイヴィッドは、進化した未来のロボットたちに発見さる。ロボット達はデヴィッドのためにモニカをクローン再生する。デイヴィッドは偽りの母に抱かれながらも幸福に浸るのだった。