Действие фильма происходит в будущем. Глобальное потепление привело к затоплению таких городов как Нью-Йорк, Венеция и т. д. Человечество пытается поддержать цивилизацию, создавая андроидов, наделённых искуственным разумом. Эти попытки приводят к разработке человекоподобного робота-ребёнка принципиально нового типа, который способен любить. Его называют Дэвидом (Хэйли Джоэл Осмент). Компания «Кибертроникс», создавшая его, желает проверить как их творение приживётся у любящей пары.

Этой парой становятся Генри и Моника Свинтон (Сэм Робардс и Фрэнсис О’Коннор). Их настоящий сын Мартин в коме из-за редкой болезни. Пока Мартин находится в бесчувственном состоянии в ожидании излечения, Генри соглашается принять Дэвида в свою семью. Моника активирует особые функции Дэвида, позволяющие ему любить её так, как настоящий ребёнок любит своих родителей. В конечном счёте она сильно привязывается к новому сыну вопреки своему изначальному страху к андроидам.

Продолжая жить со своими новыми родителями, Дэвид знакомится с Тэдди — игрушечным медвежонком-роботом, который берёт на себя ответственность за благополучие Дэвида. К счастью родителей, Мартин выздоравливает и возвращается домой. Теперь они вместе должны жить как братья, но вместо этого становятся соперниками. Завидуя, Мартин все более неразумно обращается с Дэвидом и однажды это оборачивается против него. Пытаясь активировать программу самозащиты Дэвида, Мартин со своими друзьями сильно пугает его, играя у бассейна. Дэвид прячется за своего брата и просит спасти себя, при этом крепко обняв. Вместе они падают в бассейн. Мартина удаётся спасти от гибели, но действия Дэвида заставляют Генри и Монику прийти к решению вернуть его обратно производителю.

Вместо того, чтобы доставить Дэвида в «Кибертроникс», Моника отпускает его вместе с Тэдди в лес, предупреждая, чтобы тот остерегался «торжества плоти» — шоу-мероприятия, где роботов публично уничтожают. Тем не менее, он попадает в облаву вместе с другими роботами, среди которых и Жиголо-Джо — робот-«любовник», обвиняемый в убийстве, которое в действительности не совершал. Дэвид почти попадает в «мясорубку» такого шоу. При этом он буквально утягивает с собой за руку Джо. В последний момент зрители принимают Дэвида за настоящего ребёнка и ему вместе с Джо удаётся спастись. Они отправляются на поиски Голубой Феи, о которой Дэвид услышал из сказки «Пиноккио» и поверил, что она сможет сделать его настоящим мальчиком, благодаря чему Моника должна полюбить его и принять в семью обратно. Отправившись на поиски феи, Джо и Дэвид попадают в упадочный мегаполис — Руж-сити.

Обратившись к справочной системе «доктор Знаток», они узнают, что им следует отправиться на «край света» — затопленный Манхэттен. Встретив там другой экземпляр своей модели, Дэвид разбивает его, чтобы остаться единственным в сердце своей матери. Создатель Дэвида — профессор Хобби (Вильям Харт), встречает Дэвида и вдохновлённо рассказывает ему о производстве роботов нового типа, опытным образцом которых и является герой. Ведь до него роботы не могли любить и преследовать свои мечты. Для Хобби это означало, что модели роботов «Дэвид» будут запущены в массовый рынок. Упавший духом, Дэвид падает со здания в океан.

Он погружается на затонувшие улицы города и там видит то, что кажется ему той самой Голубой Феей. Джо поднимает Дэвида со дна, но на поверхности его арестовывают. Дэвид вместе с Тэдди погружается на амфибии туда, где он видел фею. Этой феей оказалась статуя из сказочного аттракциона. Амфибию придавливает смотровым колесом парка и Дэвид с Тэдди оказываются в ловушке. Поверив, что это настоящая Голубая Фея, Дэвид без конца просит её сделать его настоящим мальчиком.

Так прошло 2000 лет. Человечество вымерло, а Манхэттен оказался под сотнями метров льда. Новые существа, живущие на Земле, исследуя руины Нью-Йорка нашли амфибию, внутри которой были Дэвид и Тэдди — роботы, знавшие людей. Дэвид проснулся и подошёл к замёрзшей статуе феи, которая разбилась от его прикосновения.

По воспоминаниям Дэвида обитателям нового мира удалось восстановить дом семьи Свинтон и объяснить ему, что даже они не в силах сделать его человеком. Однако, манипулируя пространством-временем, они могут воссоздать Монику по образцу ДНК, но лишь на один день. Такой образец в виде локона волос оказался у Тэдди. Этот день Дэвид проводит наедине с Моникой, рисуя, играя и наслаждаясь её любовью. В конце дня Моника говорит Дэвиду, что всегда любила его. Затем она уснула и Дэвид лёг рядом с ней. Он закрыл глаза и «отправился туда, где рождаются мечты».