В 2100-х годах мегакорпорация Buy 'n Large взяла под контроль всю сферу экономических услуг на Земле, став в итоге мировым правительством. Из-за большого количества неперерабатываемых отходов планета становится настолько грязной, что на ней больше нельзя поддерживать жизнь. В попытке сохранить человечество Buy 'n Large осуществляет его исход в космос на борту крупнейшего в истории человечества корабля «Аксиома» (в сюжете также есть упоминания о других кораблях). На очистку планеты были брошены тысячи роботов ВАЛЛ-И. Однако семьсот лет спустя в рабочем состоянии остаётся только один ВАЛЛ-И (в англ. версии озвучивает Бен Бёртт). И в 2805 году планета по-прежнему покрыта мусором, часть из которого роботы класса ВАЛЛ-И уже сложили в огромные башни.

Длительная работа ВАЛЛ-И способствовала развитию в нём личности. Он собирает всевозможные остатки былой цивилизации, которые находит среди гор мусора и пробует найти им применение. У него даже есть свой "домашний питомец" - тараканчик. Необычной же находкой становится растение, обнаруженное в одном из выброшенных на помойку холодильников. В своём «доме» на видеомагнитофоне и iPod'е через линзу Френеля он регулярно просматривает видеокассету с фильмом «Хэлло, Долли!», где ему особенно нравятся музыкальные номера «Put On Your Sunday Clothes» и «It Only Takes a Moment». Запись учит его человеческим чувствам, эмоциям и поведению, из которых ему нравится больше всего — держаться за руки. Однажды на планету прилетает ЕВА (Естествоведческая Автоматика, в оригинале EVE (Extraterrestrial Vegetation Evaluator); озвучена Элиссой Найт) — исследовательский робот (тем не менее вооруженный весьма мощной плазменной пушкой), посланный с «Аксиомы» для поиска растительной жизни, которая за столько лет странствий тоже научилась абстрагироваться от программы, позволяя себе немного бесцельно полетать и испытывать некоторые человеческие качества, такие как злость и разочарования от бесполезных поисков. ВАЛЛ-И влюбляется в неё, но несмотря на все его усилия, главной для ЕВы остаётся её программа. Когда ВАЛЛ-И показывает ей найденное растение, она сразу же помещает его (растение) в специальное хранилище внутри себя и отключается. ВАЛЛ-И пытается разбудить её, ухаживает за ней, пока неожиданно для него за ней прибывает корабль. Когда корабль увозит ЕВу с Земли, ВАЛЛ-И, не желая расставаться с любимой, цепляется за наружную обшивку корабля и улетает вместе с ним.

На борту «Аксиомы» ВАЛЛ-И следует за ЕВой до места её назначения. Его действия создают переполох в повседневной рутине как роботов, так и людей. В частности, ВАЛЛ-И добавляет работы М-О (Microbe Obliterator, произношение имени похоже на «моп» — от англ. mop «швабра»), в русском дубляже — ДОКу — специальному роботу-уборщику, которому приходится убирать оставшуюся от гусениц наземного робота грязь, нарушив программу четкого передвижения. Также во время преследования ЕВы ВАЛЛ-И случайно отключает от специальных коммуникационных устройств двух людей: Джона и Мэри, которые были поглощены виртуальным общением и до этого не замечали мир вокруг себя. После столетий пребывания в состоянии микрогравитации (изначально полёт должен был продолжаться пять лет) люди на борту «Аксиомы» лишились значительной костной и мышечной массы и стали настолько ожиревшими, что не могли стоять или двигаться без помощи роботов. Любая задача на борту корабля выполняется роботами, включая его пилотирование, осуществляемое роботом-автопилотом AUTO (для его озвучивания использовалась программа синтеза речи MacInTalk) и бортовым компьютером (озвучен Сигурни Уивер).

На мостике ЕВА пытается показать капитану МакКрею (Джефф Гарлин) обнаруженное растение, но оно исчезло. AUTO сообщает капитану, что ЕВА неисправна и отправляет её на диагностику вместе с ВАЛЛ-И. Ошибочно полагая, что диагностический робот причиняет вред ЕВе, ВАЛЛ-И берёт её руку-оружие и случайно освобождает всех находящихся в очереди на обслуживание дефектных роботов. В тот момент, когда ЕВА пытается вернуть руку, всех беглецов, включая ЕВу и ВАЛЛ-И объявляют в розыск как опасных роботов. Чтобы отменить тревогу, ЕВА пытается вернуть ВАЛЛ-И обратно на Землю, но он отказывается возвращаться без неё. В этот момент появляется помощник AUTO — GO-4, который помещает ранее пропавший ботинок с растением в спасательный корабль, запрограммированный на самоуничтожение. ЕВА понимает, что назревает бунт, и собирается вытащить растение из шлюпки, но ВАЛЛ-И делает это быстрее. В этот момент GO-4 запускает шлюпку с оставшимся в ней ВАЛЛ-И. ЕВА в ужасе за него и растение, поэтому вылетает за шлюпкой. Тем временем ВАЛЛ-И пытается выбраться из шлюпки, нажимая подряд все кнопки, но ситуация от этого ничуть не улучшается. Тут робот обнаруживает огнетушитель, с которым уже имел дело на Земле… ЕВА уже почти догоняет шлюпку, как вдруг она взрывается. ЕВА не может поверить в это и ускоряется, но в этот момент на неё летит ВАЛЛ-И, используя огнетушитель. ЕВА рада видеть своего друга целым и невредимым, но радуется больше, когда ВАЛЛ-И показывает ей растение. От этих пережитых ею эмоций она «целует» ВАЛЛ-И, после чего они летают вместе вокруг «Аксиомы» и возвращаются обратно. Вскоре она возвращает растение МакКрею. Капитан, чтобы разобраться в обстоятельствах выполнения программы ЕВой, просит показать её запись с Земли, в которой ЕВа видит, как ВАЛЛ-И заботился о ней, после того как она отключилась. Капитан потрясён обстановкой на Земле и решает, что люди должны вернуться и исправить это положение.

Однако AUTO настаивает на том, что они не могут вернуться на Землю, и показывает запись, в которой глава компании Buy 'n Large Шелби Фортрайт (Фред Уиллард) даёт указание автопилотам никогда не возвращаться на Землю, так как планета никогда уже не будет пригодна для жизни. Капитан отказывается подчиниться AUTO, тогда тот запирает капитана в его жилом отсеке, наносит серьёзные повреждения ВАЛЛ-И и деактивирует ЕВу, отправляя обоих роботов и растение в мусорный отсек. Там ЕВУ случайно активируют роботы REM-E (электронные мыши), и она пытается починить ВАЛЛ-И, но поиски запасных частей для ремонта ни к чему не приводят. ВАЛЛ-И указывает ЕВе на растение и говорит про землю, давая понять, что там есть запчасти к нему.

Чтобы выполнить программу, ВАЛЛ-И, ЕВА и примкнувшие к ним дефектные роботы отправляются в рубку. В это время, в попытке подавить бунт, капитан меняет контакты на проводах, активируя видеосообщение. Он рассказывает ВАЛЛ-И и ЕВе, что они должны поставить растение в нанодетектор, который по команде МакКрея может выдвинуться из пола на центральной палубе корабля. Затем он хитростью вызывает автопилот к себе в каюту и прыгает на него, не давая сбросить. Автопилот пытается вырваться, однако своими попытками он только утягивает с собой на мостик капитана, упрощая дорогу к пульту управления. После небольшого сражения между МакКреем и AUTO, капитан активирует нанодетектор. Однако затем автопилот накреняет судно, сбрасывая с себя капитана, и перехватывает управление. Пассажиры начинают беспомощно сползать со своих кресел в одну кучу. Пока ЕВА спасает их от падающих транспортных роботов, AUTO начинает закрывать нанодетектор. Тогда ВАЛЛ-И встаёт в распор опускающегося люка детектора, не давая закрыться механизму. AUTO нажимает на кнопку включения закрывающего механизма электрошокером, повреждая электронику и выводя из строя механизм управления люком (отключая аварийную остановку механизма). После этого нанодетектор почти закрывается, раздавливая ВАЛЛ-И. Пока Автопилот пытается полностью закрыть нанодетектор, капитан встаёт на ноги, чем вызывает изумление у пассажиров, и отключает AUTO, восстанавливая порядок на борту корабля. После того как растение было помещено в «нанодетектор», срабатывает независимая автоматика, и «Аксиома» совершает гиперпространственный прыжок на Землю. Сильно повреждённый ВАЛЛ-И отключается.

После прибытия корабля на Землю ЕВА начинает ремонт ВАЛЛ-И, но повреждения оказываются настолько сильными, что после ремонта ВАЛЛ-И не помнит ЕВУ и того, чему он научился за время своего существования. По иронии судьбы робот, который вложил душу в остальных роботов Аксиомы, сам становится бездушной машиной, в которой запущена лишь базовая программа: собирать мусор и прессовать его в кубики. ЕВА пытается заставить ВАЛЛ-И вспомнить себя. Она берёт его за «руку» и «целует». От электростатического разряда Вселенский Аннигилятор Ландшафтный Лёгкий — Интеллектуальный вспоминает ЕВУ и видя, что она взяла его за руку, становится самим собой, то есть ВАЛЛ-И.

Камера оператора отдаляется от протагонистов, пролетая через холмы, покрытые растительностью, что значит, что люди всё ещё не потеряли свой дом, свою землю, и она всё ещё пригодна для жизни.

В титрах после мультфильма показываются картинки, на которых изображено, как люди вместе с роботами восстанавливают Землю и начинают новую жизнь. Стиль самих картинок меняется и показывает развитие живописи, намекая на развитие людей после жизни на корабле, начиная с наскальных рисунков и заканчивая современными видами. В финале Ева и ВАЛЛ-И стоят у дерева, выросшего из росточка в ботинке. После окончания титров ВАЛЛ-И меняет лампочку логотипу студии Pixar — белой настольной лампе, и, роняя на обратном пути букву R, становится на её место.