Il professor Hobby (William Hurt), il guru che guida il reparto scientifico della Cybertronics Manufacturing, sta effettuando ostinate ricerche per realizzare robot avanzati e intelligenze inoltrate capaci di esprimere competenze in un'area finora preclusa: la capacità di amare. Nonostante le resistenze del suo team (obiezioni tutte di carattere etico), Hobby continua nei progressi delle sue ricerche. E a venti mesi dall'inizio della sperimentazione il risultato è David (Haley Joel Osment), un ragazzino robot programmato per provare amore. David viene adottato in fase di test da un dipendente della Cybertronics (Sam Robards) e dalla sua riluttante consorte (Frances O'Connor), il cui figlio naturale giace sospeso tra la vita e la morte in criogenesi, per venire decongelato quando le tecniche mediche saranno in grado di curare la sua malattia. David finisce per inserirsi nel nuovo contesto famigliare dopo iniziali difficoltà di adattamento. Ma quando il figlio legittimo della coppia (Jake Thomas) esce dalla sospensione crionica e ritorna a casa per essere curato, David viene emarginato dalla famiglia: è un robot, è un falso bambino. Vista l'impossibilità di rimanere nella casa adottiva, la matrigna di David lo costringe ad abbandonare la famiglia e a trovarsi un posto nel mondo. Accompagna David il suo super-giocattolo Teddy.
David ubbidisce, convinto che se riuscirà a diventare, proprio come Pinocchio, un bambino reale, sua madre lo riabbraccerà, donandogli tutto l'amore che gli è stato sottratto. Inizia così per David la ricerca di un graal molto particolare: quello della natura umana. Quest'odissea lo trascina in un mondo artefatto, postmoderno, in cui i robot stanno sempre più divenendo i servitori di uomini che, contraddittoriamente, li amano e li odiano. David attraversa Rouge City, una metropoli del peccato artificiale, e fa l'esperienza di Flesh Fair, una sorta di festa truculenta alla Mad Max in cui i robot fuori uso o sorpassati vengono fatti combattere fino alla morte in un'arena.
Guida David in questo sottomondo Gigolo Joe (Jude Law), un robot creato per sedurre e soddisfare desideri d'amore (afferma, senza modestia, il gigolo elettrico che "una volta provato un robot, una donna non desidera più un uomo"), che è in viaggio per imprecisati motivi.
David arriva a New York, sommersa dalle acque a causa dell'effetto serra. E' qui che si attende che una Fata - proprio come in Pinocchio - lo trasformi in essere umano. Al contrario, a New York egli incontrerà non soltanto il proprio destino: incontrerà il destino della stessa umanità...