Ungefähr siebenhundert Jahre in der Zukunft ist die Erde durch jahrelangen sorglosen Umgang mit der Umwelt übermäßig mit Müll und Zerstörungen von Pflanzen und Tieren verschmutzt. Die überlebenden Menschen haben die Erde verlassen und leben auf einem Raumschiff.
Die Menschen haben spezielle Roboter geschaffen, um die Erde zu säubern, damit sie später auf die Erde zurückkehren können, aber die Umwelt erholt sich nicht und im Laufe der Zeit werden die Roboter durch das raue Wetter und das unfreundliche Land zerstört, nur einer überlebt: WALL-E.
WALL-E verbringt seine Tage damit, Müll in feste Blöcke umzuwandeln und damit Strukturen zu bauen. Er sammelt auch einige interessante Dinge und bewahrt sie in der Garage auf, die er sich mit einer Kakerlake, seinem einzigen Freund, teilt.
Eines Tages kommt ein riesiges Raumschiff an und setzt einen neuen Roboter namens EVE ab.
Eve wird auf die Erde geschickt, um herauszufinden, ob es auf der Erde Leben gibt. EVE konzentriert sich darauf, die Existenz von Leben zu finden und ignoriert WALL-E völlig, da er kein Lebewesen ist. Wall-E rettet EVE aus einem Staubsturm und bietet ihr Unterschlupf, wo Wall-E ihr eine letzte lebende Pflanze zeigt.
EVE fängt die Pflanze und geht automatisch in den deaktivierten Zustand über. EVE wird unbeweglich wie eine Statue. WALL-E versteht nicht, was mit seiner neuen Freundin passiert ist, aber, getreu seiner Liebe, beschützt er sie vor Wind, Regen und Blitz, auch wenn sie nicht reagiert.
Ein paar Tage später kommt ein riesiges Schiff, um EVE mitzunehmen, da WALL-E EVE nicht verlieren wollte, hängt er außerhalb des Schiffes. Das Schiff kommt in einer großen Raumstation an, in der sich alle Menschen aufhalten.
WALL-E verfolgt EVE bis zu den Kammern der bösen Roboter, die EVE und die letzte lebende Pflanze vernichten wollen, da sie wollen, dass die Menschheit untergeht.
Der Kapitän des Schiffes findet diesen Trick der bösen Roboter heraus und rettet mit Hilfe von WALL-E und EVE die letzte lebende Pflanze und vernichtet alle bösen Roboter.
Dann haben sie auf der Erde wieder eine Zivilisation aufgebaut und leben mit EVE und Wall-E ganz menschlich zusammen.