700 años atrás, el planeta Tierra tuvo que ser evacuado debido a una enorme acumulación de basura, encomendando a una serie de robots la misión de limpiarla.
Hoy, el único superviviente de aquellos robots es el pequeño WALL-E, quien con el paso de los años ha desarrollado una personalidad propia y se dedica a recolectar piezas de otras unidades destruidas y otros objetos extraños.
La vida del pequeño robot cambia cuando conoce a EVA, una robot exploradora que llega en una nave espacial, de la que se enamora perdidamente. EVA le habla a WALL-E de una misteriosa planta, de la que descubren que es capaz de hacer que los habitantes de la Tierra puedan regresar a su planeta. Cuando EVA viaje al espacio para compartir el importante descubrimiento, WALL-E decidirá ir tras ella y emprenderá un viaje inolvidable.