在未來世界，天才科學家天馬博士（尼古拉斯·凱奇 配音）因痛失愛子制造了搭載先進人工智能的機械人阿童木（弗萊迪·海默 配音），試圖以兒子的情感記憶賦予其人性。然而博士始終無法接受機械生命體的存在，將阿童木遺棄后淪為流浪兒。軍方為獲取其蘊含的強能反物質能源，對阿童木展開全球追捕，并脅迫天馬博士拆解兒子的能源核心。生死關頭，博士幡然悔悟協助阿童木逃脫追捕。在逃亡過程中覺醒自我意識的機械少年，逐漸理解并超越自身的人造使命，最終以十萬馬力與飛行能力摧毀軍方要塞。決戰后阿童木選擇守護人類世界，天馬博士則在兒子遺留的機器人軀殼中重獲救贖，兩代機械生命體共同完成了對人性與科技關系的終極思考。