Aproximadamente setecientos años en el futuro, la Tierra está excesivamente contaminada con basura y destrucción de la vida vegetal y animal, debido a años de uso descuidado del medio ambiente. Los humanos supervivientes han abandonado la Tierra y viven en una nave espacial.
Los humanos han creado robots especiales para limpiar la Tierra y poder volver a ella más adelante, pero el medio ambiente no se recupera y, a medida que pasa el tiempo, los robots empiezan a destruirse debido a las duras condiciones meteorológicas y a que la tierra no es amigable, sólo sobrevive uno llamado WALL-E.
WALL-E pasa sus días convirtiendo la basura en bloques sólidos y construyendo estructuras con ellos. También colecciona algunas cosas interesantes y las guarda en el garaje que comparte con una cucaracha, su única amiga.
Un día, una nave espacial gigante llega y deja caer un nuevo robot llamado EVE.
Eve es enviado a la Tierra para descubrir si existe vida en ella. EVE se centra en encontrar la existencia de vida ignorando a WALL-E por completo ya que no era un ser vivo. Wall-E rescata a EVE de una tormenta de polvo y le proporciona un refugio, donde Wall-E le muestra una última planta viva.
EVE captura la planta y automáticamente entra en estado de desactivación. EVE se convierte en una estatua inmóvil. WALL-E, no entiende lo que le ha pasado a su nueva amiga, pero, fiel a su amor, la protege del viento, la lluvia y los rayos, aunque ella no responda.
Varios días después, una enorme nave viene a llevarse a EVE, como WALL-E no quería perder a EVE, se cuelga fuera de la nave. La nave llega de nuevo a una gran estación espacial donde se encuentran todos los humanos.
WALL-E rastrea a EVE hasta las cámaras de los robots malvados que intentaban destruir a EVE así como a la última planta viva, ya que querían que la humanidad pereciera.
El capitán de la nave descubre este truco de los robots malvados y con ayuda de WALL-E y EVE, salva la última planta viva y destruye a todos los robots malvados.
Entonces establecieron la civilización de nuevo en la tierra y vivieron humanamente todos juntos con EVE y Wall-E.