2035年のアメリカ。ロボット工学三原則を組み込まれたロボットは既に人間のサポート役として日常生活に溶け込んでいる。そしてシカゴに本社を構えるUSロボティクス社(U.S.R.)は、新たに開発した中枢コンピューター「ヴィキ」(VIKI。Virtual Interactive Kinetic Intelligence、仮想動的対話型人工知能)に随時アップデートを受ける、利便性の増した次世代家庭用ロボットNS-5(Nestor Class 5)型を出荷しようとしていた。
そんな折にロボット嫌いな市警察の刑事、デル・スプーナーに連絡が入る。ロボット工学の第一人者であり、スプーナーの恩人でもあるラニング博士が勤務先のU.S.R.本社ビル内で、館内の吹き抜けに面した自室の窓を破って墜落死しているのが発見された。現場に残されていたホログラムプロジェクターにはスプーナーを呼ぶよう遺言が残されていた。警察は自殺と判断したが、腑に落ちないスプーナーは、ラニング博士の愛弟子であるロボット心理学者のカルヴィン博士と共に研究室の中を探り、「サニー」と名乗り人間に近い感情を持つNS-5型ロボットを発見する。スプーナーは研究室から逃亡したサニーを容疑者として拘束するが、「ロボットは絶対に人間に危害を加えない」として誰も取り合おうとしない。ロボットであるはずのサニーは、スプーナーの詰問に対して、ロボットには本来無いはずの「怒り」の感情を見せるが、そこで風説が流れるのを恐れた社長のロバートソンが、警察や市長に圧力をかけてサニーを社に持ち帰ってしまう。