Apróximadamente setecentos anos no futuro, a Terra está excessivamente poluída com lixo e destruições da vida vegetal e animal, por causa de anos de uso descuidado do meio ambiente. Os humanos sobreviventes abandonaram a Terra e estão vivendo na nave espacial.
Humans criaram robôs especiais para limpar a Terra para que possam voltar à Terra mais tarde, mas o meio ambiente não se recupera e à medida que o tempo passa os robôs começam a destruir por condições climáticas severas e terras não amigáveis, apenas um sobrevive chamado WALL-E.
WALL-E passa seus dias convertendo o lixo em blocos sólidos e construindo estruturas com eles. Ele também recolhe algumas coisas interessantes e guarda-as na garagem que partilha com uma barata, a sua única amiga.
Um dia, uma nave espacial gigante chega e larga um novo robô chamado EVE.
Eve é enviado para a Terra para descobrir se existe vida na Terra. EVE se concentra em encontrar a existência da vida ignorando completamente o WALL-E como se ele não fosse um ser vivo. Wall-E resgata EVE de uma tempestade de pó e dá-lhe abrigo, onde Wall-E mostra-lhe uma última planta viva.
EVE captura a planta e entra automaticamente em estado de desactivação. EVE se torna uma estátua sem movimento. WALL-E, não entende o que aconteceu com sua nova amiga, mas, fiel ao seu amor, ele a protege do vento, chuva e raios, mesmo que ela não responda.
Dia depois vem um navio gigantesco para levar EVE, como WALL-E não queria perder EVE, ele fica pendurado do lado de fora do navio. A nave chega a uma grande estação espacial onde todos os humanos estão hospedados.
WALL-E segue EVE até as câmaras dos robôs malvados que estavam tentando destruir EVE e também a última planta viva, como eles queriam que a humanidade perecesse.
O capitão da nave descobre este truque dos robôs malvados e com a ajuda da WALL-E e EVE, salva a última planta viva e destrói todos os robôs malvados.
Então eles estabeleceram a civilização novamente na Terra e viveram humanamente todos juntos com EVE e Wall-E.