Em 2035, os robôs estão totalmente integrados ao cotidiano das pessoas. Eles fazem entregas, coletam o lixo, ajudam em trabalhos domésticos e ainda atuam como assistentes dos humanos em todo tipo de atividade profissional. No futuro, aparelhos de som, carros, elevadores e outros equipamentos criados para facilitar a vida são acionados ou desativados apenas com um comando de voz. Mas o agente de homicídios Del Spooner (Will Smith) não se sente nada confortável neste cenário. Por mais confiáveis que as máquinas possam parecer, Spooner acredita que elas são uma ameaça, embora sejam programadas de fábrica com as três leis da robótica, em que devem defender e jamais ferir um ser humano.

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Mesmo com a comprovação de que um robô jamais cometeu um crime no mundo, Spooner insiste em suspeitar deles. Sua desconfiança aumenta quando se envolve na investigação do assassinato do amigo Alfred Lanning (James Cromwel), um dos criadores da tecnologia da U.S. Robotics. O professor morreu dentro da empresa e, aparentemente, cometeu suicídio ao se jogar da sala onde trabalhava, que estava trancada. Spooner, no entanto, não se convence e acha que robôs estão envolvidos no crime. Para acompanhá-lo no caso, a companhia coloca a programadora Susan Calvin à sua disposição. Mesmo opiniões opostas sobre o perigo dessas avançadas máquinas, Spooner e Susan começam a suspeitar de Sonny, um robô criado pelo professor Lanning que começa a ter reações emocionais. Enquanto isso, a U.S. Robotics liderada pelo ambicioso Lawrence Robertson prepara o lançamento dos NS-5, um novo e revolucionário modelo de robô.

Eu, Robô é baseado no livro homônimo de Isaac Asimov - autor considerado um ícone da ficção científica - publicado em 1950. O filme O Homem Bicentenário (1999) também foi inspirado em um dos títulos do escritor. Para o longa, que tem mais de mil tomadas com efeitos visuais, a Audi criou um modelo de carro especial, que é dirigido o tempo todo por Will Smith (MIB - Homens de Preto), com visual futurista. O filme foi dirigido por Alex Proyas, o mesmo de O Corvo e Cidade das Sombras.