Omkring sjuhundra år i framtiden är jorden överförorenad med sopor och förstörelse av växt- och djurliv, på grund av åratal av vårdslös användning av miljön. De överlevande människorna har övergivit jorden och bor på ett rymdskepp.
Människorna har skapat speciella robotar för att städa jorden så att de kan återvända till jorden senare, men miljön återhämtar sig inte och med tiden börjar robotarna förstöras av hårt väder och ovänligt land, endast en överlever vid namn WALL-E.
WALL-E tillbringar dagarna med att förvandla sopor till solida block och bygga konstruktioner med dem. Han samlar också på intressanta saker och förvarar dem i garaget som han delar med en kackerlacka, som är hans enda vän.
En dag kommer ett gigantiskt rymdskepp och släpper ner en ny robot vid namn EVE.
EVE skickas till jorden för att ta reda på om det finns liv på jorden. EVE fokuserar på att hitta liv och ignorerar WALL-E helt och hållet eftersom han är en icke levande varelse. Wall-E räddar EVE från en dammstorm och ger henne skydd, där Wall-E visar henne en sista levande växt.
EVE fångar växten och går automatiskt in i ett inaktiverat tillstånd. EVE blir orörlig som en staty. WALL-E förstår inte vad som har hänt med sin nya vän, men trogen sin kärlek skyddar han henne från vind, regn och blixtar, även om hon inte reagerar.
Som några dagar senare kommer ett massivt skepp för att ta med sig EVE, eftersom WALL-E inte ville förlora EVE, hänger han utanför skeppet. Skeppet kommer tillbaka till en stor rymdstation där alla människor vistas.
WALL-E spårar EVE till kamrarna med onda robotar som försökte förstöra EVE samt den sista levande växten, eftersom de ville att mänskligheten skulle gå under.
Skeppets kapten upptäcker de onda robotarnas trick och med hjälp av WALL-E och EVE räddar han den sista levande växten och förgör alla onda robotar.
Sedan etablerade de civilisationen igen på jorden och levde mänskligt tillsammans med EVE och Wall-E.