机器人9号（伊利亚•伍德 Elijah Wood 饰）突然醒来，发现身边的世界充满危机，四处残败，一片末世景校服动漫人物。9号带着一个画有三个奇怪符号的圆形物体逃到街上，幸遇发明家机器人2号（马丁•兰道 Martin Landau 饰）给自己装上了声音，但2号却不幸被机器怪兽抓走。9号找到了老兵1号（克里斯托弗•普卢默 Christopher Plummer 饰）、机械工5号（约翰•雷利 John C. Reilly 饰）、疯癫画家6号（克里斯品•格拉夫 Crispin Glover 饰）和大力士8号（弗雷德•塔塔绍尔 Fred Tatasciore 饰）。9号与5号擅自出行援救2号，危急时被女武士7号（詹妮佛•康纳利 Jennifer Connelly 饰）救下，但无意中9号却令终极机器兽复活。带着自己从哪里来以及生存使命的问题，9号决定想尽办法制服机器兽，拯救全世界……
