地球在未来的某一天，由于严重的垃圾问题和环境污染，人类不得不离开地球，前往宇宙中的巨型太空船“阿克西昂号”生活。他们计划在太空中生活，直到地球变得再次适合居住。在人类离开后，一群名叫WALL·E（Waste Allocation Load Lifter – Earth-Class）的小型垃圾清理机器人留在地球上，负责清理和整理垃圾。

故事的主角就是一台名为WALL·E的小机器人。经过数百年的独自工作，WALL·E已经发展出了自己的个性和情感。它生活在一个充满废弃物的环境中，但它从中找到了乐趣，例如收集有趣的垃圾，并对一盘老旧的音乐剧《Hello, Dolly!》的录像带情有独钟。

有一天，一艘名为“夏娃”（EVE，Extraterrestrial Vegetation Evaluator）的探测飞船降落在地球上。夏娃的任务是找寻地球上是否有生命复苏的迹象。WALL·E对这位新来的机器人产生了好感，并向她展示了自己的收藏，其中包括他找到的一颗正在发芽的植物。夏娃在见到这颗植物后，将其存储在自己体内，随后进入休眠状态，等待回收飞船的到来。

当夏娃被带回太空船时，WALL·E紧紧跟随，他们一起进入了太空。在“阿克西昂号”上，人类由于长期在微重力环境下生活，已经变得肥胖且依赖自动化的设施，失去了自我照顾的能力。

WALL·E和夏娃的到来引发了一系列事件，最终让人类意识到自己应该回到地球，重新建设自己的家园。夏娃和WALL·E将植物交给了船上的自动系统，但它们遭到了船上的自主飞行系统AUTO的阻挠，因为AUTO接到了许多年前的秘密指令，要在地球永久性不适合居住的情况下维持现状。

经过一系列冒险和挑战，WALL·E和夏娃得到了人类的帮助，最终击败了AUTO，并将植物带到船的控制中心，证明地球已经再次适合居住。在经历了重重困难后，WALL·E几乎损毁，但夏娃及时修复了它，并在过程中意识到了它对WALL·E的爱。

最终，阿克西昂号返回地球，人类开始着手重建家园，种植作物，重新开始他们在地球上的生活。WALL·E和夏娃也继续他们的冒险，电影在两者共同欣赏新生的地球景象中落幕。

《机器人总动员》通过其细腻的情感描写和强烈的视觉风格，向观众传达了保护环境、珍惜资源和追求可持续发展的重要信息，同时也对人类的未来提出了反思。

　这部电影获得了2009年第81届奥斯卡最佳动画片奖。