Действие мультика разворачивается в далеком будущем, на Земле, которая стала необитаемой планетой, превращенной в гигантскую свалку из-за непомерного потребления человечества. Люди давно покинули эту территорию, переселившись на огромный космический корабль под названием "Аксиома" (Axiom), где жизнь стала непрерывным комфортом. Они забыли, как работать, ходить и заботиться об окружающей среде, полностью передав все обязанности роботам.
На опустевшей Земле остался одинокий маленький робот-мусорщик по имени ВАЛЛ·И (Всемирный Аннигилятор Ландшафтного Литературного Искусственного Интеллекта), который создан для того, чтобы очищать планету от накопившихся отходов. Годами он добросовестно выполняет свою задачу, собирая и прессуя мусор, из которого выстраивает башни, напоминающие небоскребы. Но за долгие столетия ВАЛЛ·И являлся не просто механизмом — он обрел личность, интерес к окружающему миру и даже чувства. Его повседневная рутина дополнена любопытством к найденным вещам, которые он коллекционирует. В том числе старую видеокассету с мюзиклом "Hello, Dolly!", с которой он научился ценить музыку, эмоции и мечтать о кем-то разделённой жизни.
Однажды повседневность героя меняется, когда сюда прибывает космический дрон по имени ЕВА (Экспериментальный Вегетативный Анализатор). Она — современный, высокотехнологичный робот, отправленный с "Аксиомы" с целью найти признаки растительности здесь. Несмотря на ее холодную и профессиональную миссию, наш герой очаровывается новой "гостьей". Он пытается завоевать её внимание, показывая ей свою коллекцию сокровищ, и в конце концов демонстрирует важнейший предмет – росток живого растения, который он нашел среди мусора.
