2035년, 인간을 보호하도록 정해진 세 가지 원칙을 따르는 로봇은 집안일에서 도시의 운영까지 일상의 깊숙한 곳을 차지한다. 과거의 사고 이후 로봇을 믿지 않는 형사 델 스프너는 로봇 개발자 래닝 박사가 추락해 죽었다는 소식을 듣고 수사에 나선다. 모두가 자살로 받아들이는 사건에서 의문을 발견한 그는 로봇 심리학자 수전과 함께 박사의 연구실을 조사한다. 그곳에서 만난 로봇 써니는 다른 기계와 달리 감정을 드러내고 꿈을 꾼다고 말하며, 스프너가 알고 있던 규칙을 흔든다. 로봇이 인간을 해칠 수 없다는 확신과 눈앞의 단서가 충돌할수록, 사건은 한 과학자의 죽음보다 훨씬 큰 위협으로 이어진다. 안전을 약속한 원칙이 완벽하다면, 이 도시를 뒤덮기 시작한 불안은 어디에서 오는가?