В 2100 годах на рассвете нового тысячелетия вся сфера экономических услуг на планете Земля была взята под единый контроль мегакорпорацией Buy’n Large, которая в итоге стала выполнять функции мирового правительства . Из-за огромного количества отходов планета стала непригодной для жизни. Для того чтобы сохранить человечество, компания создает космический корабль «Аксиома», который отправляется в космос. На очистку Земли было отправлено большое количество роботов ВАЛЛ-И. Но через семьсот лет только один из всех остается в рабочем состоянии. В процессе длительной работы ВАЛЛ-И в нем формируется личность. Дома на iPod’е он часто просматривает фильм «Хэллоу, Долли!», который учит его эмоциям, человеческим чувствам и поведению. На Земле в выброшенном холодильнике он находит растение. Позже на Землю отправляется робот по имени ЕВА, цель которой – найти на опустевшей планете жизнь. Увидев ЕВУ, ВАЛЛ-И влюбляется в нее и показывает ей цветок, который он нашел. ЕВА помещает цветок в капсулу, находящуюся в ней и отключается. Пока она находится в отключке, ВАЛЛ-И ухаживает за ЕВОЙ. Позже с этими роботами случается череда событий, разлук и опасностей, по окончанию которых ЕВА замечает, что ВАЛЛ-И неравнодушно к ней относится и сама начинает питать к нему чувства. Жители Земли возвращаются на родную планету и начинают вести восстановительные работы – убирать мусор. В конце фильма герои стоят около дерева, которое выросло из ростка, находящегося в ботинке.