Seitsemänsataa vuotta tulevaisuudessa Maapallo on vuosien huolimattoman ympäristönkäytön vuoksi ylenpalttisesti saastunut roskista ja tuhoutuneesta kasvi- ja eläinkunnasta. Eloonjääneet ihmiset ovat hylänneet maapallon ja asuvat avaruusaluksessa.
Ihmiset loivat erikoisrobotteja puhdistamaan maapalloa, jotta he voisivat palata sinne myöhemmin, mutta ympäristö ei toivu ja ajan kuluessa robotit alkavat tuhoutua ankaran sään ja epäystävällisen maan takia, vain yksi jää henkiin nimeltä WALL-E.
WALL-E viettää päivänsä muuntaen roskia kiinteiksi palikoiksi ja rakentaen niistä rakenteita. Hän kerää myös mielenkiintoisia esineitä ja säilyttää niitä autotallissa, jonka hän jakaa ainoan ystävänsä torakan kanssa.
Eräänä päivänä saapuu jättimäinen avaruusalus, joka pudottaa uuden robotin nimeltä EVE.
Eve lähetetään Maahan selvittämään, onko maapallolla elämää. EVE keskittyy löytämään elämän olemassaolon ja jättää WALL-E:n täysin huomiotta, koska hän oli eloton olento. Wall-E pelastaa EVE:n pölymyrskystä ja tarjoaa hänelle suojaa, jossa Wall-E näyttää hänelle viimeisen elävän kasvin.
EVE nappaa kasvin ja siirtyy automaattisesti deaktivoituun tilaan. EVE:stä tulee liikkumaton kuin patsas. WALL-E, ei ymmärrä mitä hänen uudelle ystävälleen on tapahtunut, mutta rakkaudelleen uskollisena hän suojelee EVE:tä tuulelta, sateelta ja salamoilta, vaikka EVE ei reagoi.
Muutama päivä myöhemmin massiivinen alus tulee hakemaan EVE:tä pois, koska WALL-E ei halunnut menettää EVE:tä, hän roikkuu aluksen ulkopuolella. Alus saapuu takaisin suurelle avaruusasemalle, jossa kaikki ihmiset oleskelevat.
WALL-E jäljittää EVE:n pahojen robottien kammioihin, jotka yrittivät tuhota EVE:n sekä viimeisen elävän kasvin, koska he halusivat ihmiskunnan tuhoutuvan.
Aluksen kapteeni saa selville tämän pahojen robottien tempun ja pelastaa WALL-E:n ja EVE:n avulla viimeisen elävän kasvin ja tuhoaa kaikki pahat robotit.
Silloin he perustivat jälleen sivilisaation maapallolle ja elivät inhimillisesti kaikki yhdessä EVE:n ja Wall-E:n kanssa.