De film gaat over een mensachtige robot die is geprogrammeerd om lief te hebben. Hij is gemaakt door een wetenschapper genaamd Henry Swinton (Sam Robards) nadat zijn echte zoon, Martin, sterft. De robot, genaamd David (Haley Joel Osment), wordt aanvankelijk afgewezen door Henry's vrouw Monica (Frances O'Connor), maar gaat uiteindelijk van hem houden.
Naarmate David ouder wordt, begint hij menselijke emoties te ervaren en verlangt hij naar een gezin. Hij wordt uiteindelijk verliefd op een mensenmeisje genaamd Gigolo Joe (Jude Law), maar hun relatie is verboden. David wordt uiteindelijk door Henry in de steek gelaten en aan zijn lot overgelaten. Hij gaat op reis om een manier te vinden om mens te worden.
De film is een ontroerende en tot nadenken stemmende verkenning van wat het betekent om mens te zijn. Het roept vragen op over de aard van liefde, bewustzijn en de mogelijkheid van kunstmatige intelligentie.