故事设定于近现代的未来世界，世界因地球暖化而导致沿海多数地区被海水淹没，而为了抑制人口成长，怀孕及产子也必须经过严格的审查制度，为了取代多数人口的生产力，机器人的发展技术也因此活跃了起来。有一天，制作机器人的科技公司运用了新技术，制造了世界第一个会爱人的机器男孩大卫，送给了同公司员工亨利，因为儿子生病而不在身边，所以亨利将他带回家陪伴自己的妻子莫妮卡，用来代替其因为绝症而进行冷冻睡眠的儿子一同生活。而因为大卫的外表与个性几乎与平凡男孩无异，而让原先很排斥大卫的莫妮卡开始接受了他，甚至把当作自己的亲生儿子。
起先大卫以为莫妮卡会永远的爱他，但某一天两夫妻的真正的儿子马丁因为绝症奇迹似的康复而从冷冻睡眠中苏醒并出院。而莫妮卡接注意力转移马丁身上，导致了大卫的失宠。大卫在某次马丁的生日派对无意间差点害他淹死在泳池中，而为了防止此事再次发生，亨利向莫妮卡提议将大卫送回机器人公司销毁，但莫妮卡对大卫仍有感情，认为此事太残忍而反对，但为了自己的儿子的性命着想，只好忍痛私自将大卫带到森林中抛弃。
为了回到自己认定的母亲莫妮卡身边，大卫与一起被扔掉的机器玩具熊泰迪一起踏上了旅程，旅途中结识了逃亡中的牛郎机器人乔。之前也从莫妮卡讲的故事中得知了木偶奇遇记中蓝仙女的传说，大卫认为蓝仙女会帮助他实现愿望──变成真正的小男孩，这样母亲就能爱他了，因此大卫改踏上了寻找蓝仙女的旅程。之后大卫随乔到达了制作大卫的公司，大卫看到很多与自己完全一样的“大卫”机器人，他无法忍受，因为他认为莫妮卡只属于他一个人，于是跳海自杀。于后被乔救起，但乔之后被警察抓走。大卫一个人乘潜水艇在海中发现了被海水淹没的一座乐园，里头矗立着一尊蓝仙女的雕像，大卫认为自己找到了，便拼命的向其请求自己想变成真正的小男孩的愿望。
大卫在潜水艇中一直请求蓝仙女，直到大卫身体的能源用完，海水也被冰冻起来。时间经过了2000年，人类已经灭亡，地球被厚实的冰层覆盖，成为一片荒芜的冰冷世界。世界上只剩下进化的人工智能机器人，他们意外找到在海中机能停止的大卫。
他们重新启动了了大卫，并希望大卫快乐，所以决定满足大卫的心愿，利用DNA再生出同一个莫妮卡(母亲)。 但再生人只能存活一天，一旦再次入眠后便不会再醒来，所以大卫与莫妮卡度过了一生中最开心的一天，实现他的愿望，在母亲的怀抱中，微笑地进入梦乡。
