인간과 로봇이 공존하는 세상, 무미건조한 노동에다 누구와도 소통이 어려운 삶을 살고 있는 도서관 사서 로봇 셸든(앤드류 가필드)은 그들에게 금지된 자동차 운전을 하는 활발하고 당차기 까지한 로봇 프란체스카(시에나 길로리)를 만나게 된다. 프란체스카를 통해 음악의 아름다움과 자연을 알게 된 셸든은 점차 그녀에게 빠져들며 삶의 활기를 얻게 된다. 어느 날 좋아하는 밴드의 콘서트 장에 갔다가 프란체스카가 팔을 잃자 셸든은 자신의 것을 선뜻 떼어 준다. 이후에도 그는 그녀를 위해 자신을 아끼지 않는 행동을 하게 되고 그로부터 얼마가 지나 셸든은 집에서 프란체스카를 한참 기다리다가 그녀가 오지 않자 밖으로 나가는데, 그 순간 복도에서 한 쪽 다리를 잃은 프란체스카를 발견한다. 그녀를 집으로 데리고 온 셸든은 한 치의 망설임도 없이 자신의 다리를 떼어 그녀에게 주려고 하지만 프란체스카는 다리까지 받을 수는 없다며 거절을 하는데.....