En 2775, la Terre, ravagée par la pollution, a été complètement désertée par les humains. Il ne reste que WALL-E, un robot nettoyeur candide et curieux. Un jour, l'industrieux engin reçoit la visite d'EVE, un robot féminin chargé de vérifier l'état d'habitabilité de la planète. S'éprenant de EVE, WALL-E la suit à travers la galaxie, où ils vivront maintes aventures.

Les humains ont quitté la Terre depuis 700 ans, laissant des milliers de robots WALL•E pour nettoyer la planète. Un seul a survécu et continue son travail, jusqu'au jour où une fusée dépose un robot nommé EVE. Après une rencontre un peu brutale, EVE et WALL•E font connaissance et c'est le coup de foudre. Au grand étonnement de WALL•E, EVE cesse de bouger après avoir découvert une plante. Après un certain temps, la fusée vient la rechercher et WALL•E décide de l'accompagner dans l'espace...