公元2805年，人类文明高度发展，却因污染和生活垃圾大量增加使得地球不再适于人类居住。地球人被迫乘坐飞船离开故乡，进行一次漫长无边的宇宙之旅。临行前他们委托Buynlarge的公司对地球垃圾进行清理，该公司开发了名为WALL·E（Waste Allocation Load Lifters – Earth 地球废品分装员）的机器人担当此重任。

可爱的小女孩莱莉（凯特林·迪亚斯 Kaitlyn Dias 配音）出生在明尼苏达州一个平凡的家庭中，从小她在父母的呵护下长大，脑海中保存着无数美好甜蜜的回忆。当然这些记忆还与几个莱莉未曾谋面的伙伴息息相关，他们就是人类的五种主要情绪：乐乐（艾米·波勒 Amy Poehl er 配音）、忧忧（菲利丝·史密斯 Phyllis Smith 配音）、怕怕（比尔·哈德尔 Bill Hader 配音）、厌厌（敏迪·卡灵 Mindy Kaling 配音）和怒怒（刘易斯·布莱克 Lewis Black 配音）。乐乐作为团队的领导，她协同其他伙伴致力于为小主人营造更多美好的珍贵回忆。某天，莱莉随同父母搬到了旧金山，肮脏逼仄的公寓、陌生的校园环境、逐渐失落的友情都让莱莉无所适从，她的负面情绪逐渐累积，内心美好的世界渐次崩塌。

与相濡以沫十几个年头的小主人告别后，胡迪、巴斯光年这群《玩具总动员》的好朋友们来到了新的小主人邦妮（艾米丽·哈恩 Emily Hahn 配音）家中继续他们的快乐生活。这一日，他们正在房间内游戏，可是笨乎乎的恐龙雷克斯（沃伦斯·肖恩 Wallace Shawn 配音）突然出现，搞砸了一切，蛋头先生气急败坏，甚至称它为“搞砸派对的雷克斯”。就在这时，邦妮决定找个玩具去洗澡，躲闪不及的雷克斯被她带入了浴室中。在邦妮的搜索游戏中，雷克斯扮演了一个冰海大恐龙，同时还结识了橡皮鸭、船长这群平常只待在浴室中的新朋友。

自从与玛戈（米兰达·卡斯格拉夫 Miranda Cosgrove 配音）、伊迪丝（达娜·盖伊 Dana Gaier 配音）和阿格蕾丝（埃尔希·费舍 Elsie Fisher 配音）三个可爱的小女孩实现宿命的邂逅，曾经的大坏蛋格鲁（史蒂夫·卡瑞尔 Steve Carell 配音）可真彻底转型了，他金盆洗手，转而化身为慈祥可亲的爸爸和做得一手烂口味布丁果冻的商人。当然凡事没有尽善尽美的，在此期间，憧憬大坏蛋传奇人生的老搭档纳法利欧博士（拉塞尔·布兰德 Russell Brand 配音）离他而去，另谋高就。某天，格鲁被身怀绝技却鲁莽的特工露西·王尔德（克里斯汀·韦格 Kristen Wiig 配音）绑架，原来露西所在的集团研制出可以改变生物基因的药物，可他们位于南极的实验室被神秘窃贼偷走，因此才委托有过坏蛋经验的格鲁做卧底。