История повествует о роботе ВАЛЛ-И, который вот уже 700 лет очищает Землю от мусора, оставленного людьми. Они покинули Землю на комфортных кораблях типа «Аксиома» в надежде когда-нибудь вернуться. 

Симпатичный робот ВАЛЛИ-И наделен самыми искренними человеческими чувствами и любовью к природе. Однажды прилетевшая на Землю робот Ева в поисках признаков жизни на планете, становится возлюбленной ВАЛЛ-И. Он готов сменить ради нее свой привычный образ жизни, работу и даже проститься с единственным другом-насекомым, отправившись за ней в открытый космос.