公元2805年，人类社会快速发展已让地球不堪重负，环境污染、随处可见的生活垃圾最终使得地球不再适宜人类居住。人类不得不背井离乡，乘坐飞船离开故乡，进行一次漫长无边的宇宙之旅。Buynlarge公司开发了名为瓦力的机器人对地球垃圾进行清理，等待人类重返地球的那一天。
这些机器人日复一日、年复一年辛勤工作，但随着恶劣环境的侵蚀及运维的匮乏，瓦力们接二连三的报废。只剩下最后一个瓦力仍在工作，以捡到的零件进行自我维修的瓦力拥有了情绪。瓦力还是个收藏家，经常收藏各种物件，并与一只蟑螂为伴，也开始憧憬着爱情的出现。瓦力一天发现了一株植物，还做成了靴子盆栽，也收藏了起来，殊不知，这株植物正是人类重返地球的启动器。
有一天，一艘来自宇宙的飞船降落到地球，当机器人“伊芙”出现的那一刻，瓦力像丢了魂似的彻底沦陷了，可能太久没见到同类了吧。情窦初开的瓦力开始大献殷勤，带着伊芙去自己的豪宅，炫耀琳琅满目的藏品，当介绍盆栽植物时，伊芙机体内的探测仪收起植物并进入休眠状态，瓦力无法唤醒伊芙，伊芙却被太空舰收走，为了心上人，瓦力也偷偷上了船，一起来到人类居住的“真理号”太空船。
“迈克雷”是“真理号”的舰长，把大部分工作交给“自控”系统管理，到处可见的机器人可满足人们的一切需求。由于太空的微重力效应及人们的懒惰，越来越多的人都得了肥胖症，“迈克雷”舰长也不例外，只能靠轮椅代步。
舰长发现伊芙产生发现植物的反应，兴奋坏了，只要把植物放进探测仪就可检测地球适居性，人类就可以重返地球。不幸的是，舰长并没有发现伊芙体内的植物，其实这是“自控”系统搞的鬼。
伊芙被送进修复舱，瓦力误以为要折磨伊芙，施救过程中释放了所有待修机器人，这让伊芙很生气，还想把瓦力送回地球，恰巧碰见警官囊鼠机器人“高佛”要销毁丢失的植物。好在瓦力及时赶到，抢走了植物。
舰长决定把植物送去探测却被被自控系统阻止，原来Buynlarge公司曾向自控系统秘密下达过“不论如何都别返回地球”的指令。
于是一场返回地球的权利争夺战开始了。由于自控系统设备的先进，导致舰长很快被囚禁起来，瓦力也受到重创。
只要把植物送到中央探测仪，飞船就可以重返地球。于是，伊芙、瓦力和真理号的机器人们一同反抗由自控系统控制的机器人大军，同时舰长也在夺探测仪的控制权。
在大家的齐心协力配合下，舰长最终成功关闭自控系统，植物也顺利通过测试验证。真理号随机返回地球，
伊芙找到零件修复好瓦力，但由于重创导致瓦力失去了记忆，直到伊芙的那个“亲吻”。
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