瓦利：一个方头方脑的机器人

任务：清理地球垃圾

玩伴：一只小虫、各种玩具废品

伊娃：漂亮的女机器人

任务：来地球收集资料

故事发生在2700年，地球变成了一个漂浮在太空中的大垃圾球，人类被迫移居到“公理号”太空船上，开始了漫长的星际旅行。一个名叫“瓦利”的小机器人被派到地球清理垃圾。他的任务就是，每天早上打开太阳能板吸收能量，然后到垃圾堆中找出他认为还能用的东西带回“家”(一辆工具车)，并把其他垃圾处理成一个个正方体，搬到指定地点堆放成垃圾塔。晚上，瓦利回到家一边整理垃圾，一边欣赏一部旧电影。到了睡觉时间，他会关灯，睡觉。第二天又重复同样的工作。一天，一艘飞船突然降落，一个漂亮的女机器人伊娃来到地球执行搜寻资料任务。瓦利带着伊娃回家，拿出许多有趣的“宝贝”给她玩，有灯泡、魔方、打火机……最后，瓦利拿出了一株绿色的树苗，伊娃体内的程序自动启动，取走了瓦利手上的树苗，然后变成了一颗蛋。瓦利用尽各种办法，都没能唤醒“沉睡”的伊娃，在飞船来接走伊娃的时候，瓦利最终选择放弃自己的使命——整理垃圾，追随伊娃飞向了“公理号”飞船。

“公理号”飞船的船长希望返回地球，可是飞船的“主脑”(控制飞船的芯片)却要把伊娃带回的树苗毁坏掉，经过激烈的战斗，瓦利和伊娃最终保住了树苗，让人类返回了地球。可是瓦利的电脑芯片在战斗中被损坏了。伊娃带着瓦利回到了地球上的“家”，伊娃想尽办法维修瓦利，瓦利复活了。可是他却不认得伊娃了，伊娃伤心极了。就在伊娃准备转身离开时，瓦利拉住了伊娃的手。从前的瓦利回来了，两个机器人笑了。