I, Robot sijoittuu tulevaisuuteen vuoteen 2035, jolloin robotit ovat aivan yleisiä ihmisten apureita ja työntekijöitä. Kaikki luottavat niihin täysin. Robofobiasta kärsivä chicagolainen poliisi nimeltä Del Spooner tutkii U.S. Roboticsin palveluksessa olleen tri Alfred Lanninging kuolemaa. Tutkimuksissa Spooneria auttaa psykologi Susan Calvin, joka on erikoistunut robottien psyykeen, sillä robotti nimeltä Sonny näyttää vahvasti sekaantuneen verityöhön. Jos se pitää paikkansa, se tarkoittaa, että robotti on rikkonut yhtä robotiikan kolmesta laista, vaikka sen pitäisi olla ehdottoman mahdotonta. Mahdotonta siksi, että jos robotit pystyvät rikkomaan niitä kolmea lakia, mikään ei enää estä niitä valloittamasta maailmaa. Vai ovatko ne... jo tehneet sen?