Michelle merupakan remaja yatim piatu yang hidup dalam sebuah masyarakat bersama dengan para robot berakal yang menyerupai kartun dan maskot. Para robot ini dulunya melayani umat manusia dan hidup di antara mereka. Namun, kini para robot hidup dalam pengasingan setelah meletusnya pemberontakan yang gagal.
Pada suatu malam, dunia Michelle berubah drastis ketika ia dikunjungi oleh Cosmo, robot manis dan misterius yang tampaknya dikendalikan oleh Christopher, adik laki-laki Michelle yang jenius dan disangka telah meninggal. Bertekad untuk menemukan saudara tercinta yang ia kira telah tiada, Michelle berangkat melintasi wilayah barat daya Amerika bersama Cosmo.
Walaupun enggan, ia bekerja sama dengan Keats, penyelundup kelas bawah yang diperankan Chris Pratt. Mereka ditemani Herman, robot jenaka yang merupakan sahabat karib Keats. Suara Herman diisi oleh Anthony Mackie. Saat mereka menjelajah ke Zona Eksklusi, tempat terpencil di padang pasir yang hanya dihuni para robot, Keats dan Michelle menemukan sekelompok sekutu animatronik baru yang aneh dan berwarna-warni—dan mulai mengetahui bahwa sesuatu di balik hilangnya Christopher bersifat lebih keji dari yang pernah mereka duga.
