机器人9号（伊利亚•伍德 Elijah Wood 饰）突然醒来，发现身边的世界充满危机，四处残败，一片末世景象。9号带着一个画有三个奇怪符号的圆形物体逃到街上，幸遇发明家机器人2号（马丁•兰道 Martin Landau 饰）给自己装上了声音，但2号却不幸被机器怪兽抓走。9号找到了老兵1号（克里斯托弗•普卢默 Christopher Plummer 饰）、机械工5号（约翰•雷利 John C. Reilly 饰）、疯癫画家6号（克里斯品•格拉夫 Crispin Glover 饰）和大力士8号（弗雷德•塔塔绍尔 Fred Tatasciore 饰）。9号与5号擅自出行援救2号，危急时被女武士7号（詹妮佛•康纳利 Jennifer Connelly 饰）救下，但无意中9号却令终极机器兽复活。带着自己从哪里来以及生存使命的问题，9号决定想尽办法制服机器兽，拯救全世界……
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欧文·威尔逊 克里斯黛拉·阿朗索 克里斯·库珀 内森·菲利安 王牌接线员拉里 艾米·汉莫 雷·马格利奥齐 托尼·夏尔赫布 邦尼·亨特 丽亚·德拉利亚 凯丽·华盛顿 鲍勃·科斯塔斯 玛格·马丁戴尔 达雷尔·沃尔特里普 小伊塞亚·维特洛克 保罗·杜利 凯瑟琳·海蒙德 切奇·马林