人类制造了会爱的机器人，但人类会爱他们吗？——《人工智能》
在未来世界，温室效应导致冰川融化，海水淹没了许多城市，人类的生存环境急剧恶化。
为减少能源和粮食消耗，许多国家开始限制生育，并研制出各种智能机器人来代替人类。机器人的仿真程度近乎完美，逐渐成为社会架构中重要的组成部分。
大卫是一个机器小孩，这天他被带到了莫妮卡和亨利的家里进行试用。这个家庭的独子马丁因病成为植物人，医生宣告无法医治。为了安抚濒临崩溃的莫妮卡，亨利打算让她认养一个机器小孩。
莫妮卡最初拒绝接受一个机器小孩，但大卫的到来，让夫妇二人感受到了久违的天伦之乐，莫妮卡决定启动认养程序。
认养程序一旦启动，机器小孩就会对认养人付出无比真挚的爱，这种爱无法更改和动摇；但此后若放弃认养，机器小孩就必须被退回销毁。
认养程序完成，大卫怀着满腔爱意，第一次叫莫妮卡妈咪，第一次拥抱了母亲。从这一刻起，妈妈的爱就是他存在的意义。
莫妮卡与大卫日渐亲密，她每天给他讲睡前故事，并把马丁的智能玩具熊泰迪送给了他。大卫加入这个家庭后，莫妮卡和亨利重新感受到了生活的乐趣。
一天，重病的马丁突然奇迹般苏醒，他被送回家里进行康复。看着妈妈欣喜的模样，大卫感到了莫名的失落。
马丁的身体状况一天天好转，他觉得大卫侵占了妈妈的关爱，而大卫对马丁也是同样的想法。两个小孩开始互相较劲。
莫妮卡给两个孩子读《木偶奇遇记》，在故事里，蓝仙女把小木偶变成了真人。这个故事深深吸引了大卫，他渴望自己也能够遇到蓝仙女。
莫妮卡对大卫的关怀引起了马丁的妒意，他告诉大卫只要偷偷剪下妈妈的一缕头发，就能得到妈妈永远的爱。
深夜，大卫悄悄来到妈妈的床边剪头发，莫妮卡和亨利被惊醒，他们看着手持剪刀的大卫又惊又怕，混乱中落在地板上的头发被泰迪藏了起来。
在马丁的生日会上，几个孩子想用刀测试大卫是否有痛觉。大卫害怕地抱住马丁寻求保护，结果两人一起跌入泳池，马丁险些丧命。
接连发生的事情，让亨利和莫妮卡担心大卫会带来不可预知的危险，他们决定取消领养。
第二天莫妮卡开车送大卫回机器人公司，但天真的大卫以为妈妈带他去郊游。莫妮卡不忍心大卫被销毁，途中将他和泰迪丢在一片树林里，而后开车离去。
大卫认为之所以被妈妈遗弃，是因为自己不是真正的小孩。他和泰迪商量，要去寻找故事中的蓝仙女，把自己变成真正的小孩。
在漆黑的树林里，大卫遭遇了机器人抓捕队。他和许多流浪机器人一起，被带到了机器人屠宰场。在这里，他结识了机器舞男乔。
大卫和乔被带到行刑台准备销毁。大卫大声呼救，引起了观众的同情心，他们向行刑人抗议，现场一片混乱，大卫和乔带着泰迪趁机逃脱。
乔和大卫找到了一台智能搜索引擎——万事通博士。万事通博士告诉大卫，去一个叫曼哈顿的地方，那里的哈比教授可以帮助他找到蓝仙女。乔不相信人类也不相信有蓝仙女，但他还是决定陪大卫一起去。
两人带着泰迪历经一番波折，终于驾驶飞艇到达了曼哈顿。在这里，大卫见到了哈比教授。而在哈比教授的实验室里，大卫竟然看到了成百上千个自己。
哈比教授道出了真相：大卫的原型就是他已经过世的儿子，大卫只是用来研究机器人情感的实验品之一。也正是哈比教授的科研团队，引导着大卫回到了曼哈顿的实验室。
哈比告诉大卫，他是第一个具有自主意识、会去追求梦想的机器人，他是科研团队成功的典范。
回家并重获母爱的梦想彻底破灭，伤心欲绝的大卫从高楼跃入深海，却在沉入海底时看到了梦寐以求的蓝仙女。惊喜交加之际，一直守候在实验室外面的乔将他拉出了海面。
此时，机器人抓捕队发现了他们。乔将大卫推进飞艇，自己却被抓走了。大卫和泰迪驾驶飞艇潜入海底，找到了蓝仙女。大卫望着蓝仙女不停地祈求：求求你，把我变成真的小男孩......他并不知道，面前的蓝仙女只是一个被淹没的主题乐园的雕像。
日复一日，年复一年，大卫的祈求一直在继续，直到他的能源耗尽，世界冰封......
2000年过去了，外星文明来到了地球。他们发现了冰封在海底的大卫和泰迪，并读取了大卫的记忆。
外星人为大卫复制了一个家，并用泰迪收藏的头发复制了莫妮卡。但外星人告诉大卫，他和妈妈只有一天的相处时光，此后复制的莫妮卡将永远沉睡。
大卫和妈妈度过了美好的一天。妈妈给他洗澡，跟他玩捉迷藏，给他烤蛋糕......大卫等待了两千年，终于梦想成真：他重新回到了家，又得到了妈妈的爱。
夜晚来临，看着即将永远沉睡的妈妈，大卫也合上了双眼。此时的他似乎从未遭受过背叛与磨难，脸上洋溢着满足与幸福。
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