公元2805年，地球上已是荒无人烟，死气沉沉，大量的生活垃圾占据了街道、草坪、商场。人类都乘坐太空飞船逃离到地球之外了，只留下一片废墟。瓦力是一家科技公司所创造的用于清理地球垃圾的机器人，随着时间的流逝，大批量的机器人都严重受损乃至报废，最后只剩他一个仍然在日复一日地重复着清理垃圾的繁重任务。慢慢地，瓦力开始拥有了自己的意识……
　　一天，一架来历不明的宇宙飞船降落在了瓦力的住所附近，飞船上的人工智能机械臂在放下一个白色的、圆圆的小机器人后，就火速离开了地球。很快，这个小机器人就开始四处飞行，不断地用自己散发出来的激光去检测周围的环境，她的手臂上还装有可收回式电离枪，一枪就可以打穿厚铁板。在交流过程中，瓦力知道了对方叫伊芙，是个女孩，拥有很多比自己厉害的技能。就在这时，一阵沙尘暴就要来袭，瓦力临危不乱，赶紧拉着伊芙就往自己的住所跑去，总算躲过一劫。
　　回到住所后，热情的瓦力把自己收藏的小玩具一一拿出来给伊芙分享。后来，两个人还跟着电视里，一起愉快地跳起了舞。不过，因为伊芙初来乍到，对自己的力度掌控还不是很好，居然一不小心把瓦力打到墙上去了。
　　不过还好，瓦力在那么长的时间里，已经会对自己进行维修，甚至还有自己的一整套零配件呢。为了不让伊芙担心，瓦力拿出自己前不久在废墟中找到的一株小草送给伊芙。突然，伊芙开始自动扫描检测，然后打开身上的机关，把绿植装入身体后，便开始了休眠。这可把瓦力给吓坏了，他给伊芙做了各方位的检修，都没有办法唤醒她。不过瓦力可没有放弃，他拉着伊芙去看雪，去划船，甚至还给伊芙身上披了各种好看的小彩灯，每天都小心翼翼地照顾她。
　　突然之间，那架宇宙飞船又降落了，在废墟中整理垃圾的瓦力赶紧往家跑，可还是没能阻止伊芙被带走，最后他只能双手紧紧抓住飞船，和伊芙一起去外太空，最终来到伊芙所在的一艘母船舰艇上。
　　在这个庞然大物里，瓦力看到千千万万个和伊芙长相一样的机器人，原来他们都是被派去地球的侦探员，专门用来检测地球上是否还有植物的存在。天真的瓦力以为伊芙会有危险，便横冲直撞地紧随着她，最后误打误撞进入了船长办公室。
　　在听到船长和一个方向盘机器人的对话后，瓦里知道由于伊芙在地球上检测到了绿植，所以船长断定地球已经再次具备人类可以生存的环境，打算返航。但是由于人类几百年以来都生活在宇宙中的飞船上，他们已经完全依赖于智能自动化的各种服务了，甚至丧失了下地走路的功能，成天睡在躺椅上，只靠手指头和语音操控着一切。
　　而方向盘机器人却否定了這个计划，他觉得大家生生世世在飞船上生活就很好，但是船长却坚持要回地球，他觉得那才是人类的根本，应该回去重建它。就在双方争执不下之时，方向盘机器人在船长不注意的时候，把伊芙和绿植一起丢入了垃圾清理管道，瓦力想救伊芙心切，便随他们一起跳入了管道。
　　船长室里，船长被监禁了起来，他急中生智打开了船舱内的所有电视，对着镜头让瓦力和伊芙拿着绿植去人工大浴场，在那边有个机关，放入绿植后，飞船便会自动返回地球。瓦力和伊芙照船长指示做，虽然在路上受到不少阻挠，但还是在众多机器人的帮助下到达了大浴场，等待船长的新指示。突然，大荧幕上出现了船长和坏蛋方向盘机器人的扭打场面，所有人都惊呆了。这时，瓦力看到了船长之前所说的机关，便抱着绿植跑了过去，不料坏蛋方向盘机器人却早一步按下关闭按钮，机关的盖子紧紧地夹住了瓦力，让他无法动弹。
　　所有人的心都被揪起，生怕瓦力有什么闪失。关键时刻，船长用尽全身力气站了起来，终于打败了坏蛋方向盘机器人，伊芙赶紧把绿植归位，飞船终于向地球驶去，大家都为能重返家园而欢呼，只有伊芙抱着失去知觉的瓦力在一旁痛哭。
　　回到地球后，伊芙火速回到瓦力之前的住所，帮瓦力把受伤的零件全部维修更换，终于把他唤醒了，最后两个人激动地抱在了一起。