L'histoire se déroule en 2700, à cause de l'inconsciente manière dont les humains ont traité la Terre, cette planète est devenue un immense amas de détritus flottant dans l'espace. Si bien que devenue trop toxique pour y vivre, l'humanité l'a abandonnée pour se réfugier dans un gigantesque vaisseau spatial satellite, y vivant en attendant qu'elle redevienne habitable. Pour nettoyer tout ça, les hommes ont fait appel à une grande firme appelée Buynlarge qui a envoyé des milliers de petits robots chargés de réparer et de collecter les détritus. Mais voilà, les "Waste Allocation Load Lifters- Earth" (noms donnés aux robots = WALL-E)n'étaient pas au point et ont tous commencé à tomber peu à peu en panne au fil des siècles. Au moment où commence l'histoire du film, il ne reste plus qu'un seul robot en marche, notre héros.

Tous les matins, Wall-E se met en marche et accomplit les tâches pour lesquelles il a été programmé : collecter tous les détritus sur la surface de la Terre. Une mission quasiment impossible qu'il s'efforce d'effectuer avec l'aide de son ami, Spot, un cafard. Au fil des années, Wall-E est devenu conscient. Il est devenu curieux d'en savoir plus sur l'Homme à force de collecter les vestiges de son règne : un Rubik's Cube, une ampoule ou encore l'objet dont il est le plus fier, un magnétoscope avec à l'intérieur une cassette du film "Hello Dolly!" (une comédie musicale avec Barbara Streisand). Voilà donc l'image qu'a Wall-E de l'humanité. Une vision dominée par les objets qu'il collecte.

En tant que dernier survivant des robots nettoyeurs envoyés par Buynlarge, Wall-E se sent bien seul. Alors quand un vaisseau spatial manque de se poser sur sa personne et dépose sur Terre une unité robot dénommée EVE, il en devient tout émoustillé. EVE a été envoyée pour trouver quelque chose sur Terre (on ne sait pas quoi). Pendant qu'elle fouille la surface de la planète, Wall-E la suivra, le "cœur" amoureux en espérant attirer son attention. Ce n'est que lorsqu'une tempête de sable force les deux robots à se réfugier sous le même abri qu'ils vont finir par communiquer. Wall-E essayant d'impressionner la belle en lui montrant sa collection d'objets.

Mais quand EVE est rappelée dans l'espace, un dilemme s'offre à Wall-E. Doit-il rester sur Terre et continuer à suivre ce pourquoi il a été programmé ou doit-il suivre EVE dans l'espace et persévérer pour gagner son cœur? Au dernier moment, lorsque le vaisseau d'EVE décolle, Wall-E s'y accroche et se voit propulsé dans l'espace.