未来世界，天才科学家天马博士（尼古拉斯·凯奇NicolasCage配音）因痛失爱子，创造了机器人铁臂阿童木（弗莱迪·海默FreddieHighmore配音），他想以此为替身为儿子，寻找安慰。虽然，铁臂阿童木拥有医生儿子的情感和记忆，先进的程序在不断提升他的情感，让他富有同情心。然而医生还是无法接受丧子之痛，无法正确对待铁臂阿童木，嫌弃他不是人。铁臂阿童木沦为无家可归的流浪者，被军方四处通缉，最终被抓获。军方要求天马博士带走铁臂阿童木的能量，将其转化为军用机器人的能源。千钧一发之际，天马博士突然惊醒，协助阿童木逃走。面对军方围攻拦截，铁臂阿童木奋起反抗，一场惊天动地的大战终于一触即发。在不断旅行的过程中，阿童木也逐渐成长。他也接受了他连接机器和人类的设计，肩负起全人类生死存亡的重任。
