In het jaar 2035 leeft de mensheid vredig samen met robots. Als er echter een dodelijk ongeluk gebeurt dat alleen door een moordlustige robot veroorzaakt kan zijn, wordt politieagent Del Spooner achterdochtig. (Spooner is zelf overigens een klassieke sciencefiction-cyborg: een politieagent die na een ongeluk met robotonderdelen is opgelapt.) Tijdens zijn onderzoek wordt hij aangevallen door de robot Sonny – en dat kan natuurlijk officieel niet, want alle robots zouden zich gewoon aan de robotwetten van Asimov moeten houden. Sonny blijkt te vechten onder commando van de kunstmatige superintelligentie VIKI, die de mensheid zijn vrije wil dreigt te ontnemen.
De film I, Robot is niet gebaseerd op het gelijknamige boek van Isaac Asimov, maar er zijn wel een aantal parallellen te vinden, zoals robotpsycholoog Susan Calvin die in zowel boek als film voorkomt. Waar Asimov wellicht minder blij mee zou zijn is dat de robots in de film slechteriken zijn en hun makers proberen te vernietigen. Dat is immers het beruchte technofobe Frankensteincomplex waar hij in zijn eigen werk mee probeerde af te rekenen.