公元2805年，人类已迁离满布垃圾的地球；约七百年前，大型企业“大卖家集团”（Buy & Large，BnL）鼓吹的无节制消费主义制造了大量垃圾，为净化地球而协助人类迁居外太空，留下大量环境清理用机器人“瓦力”（WALL-E）进行清扫作业。数百年后，地球只余下一台仍然运作的瓦力。以报废同伴的零件进行自我维修的瓦力拥有了情绪，在打扫期间常收藏各种物品。

瓦力于一天发现了一株正在萌芽的植物，不久一台新型探测机器人“伊芙”（EVE）降落地球进行盘查作业，瓦力对伊芙一见钟情并向她分享其收藏品。在展示当天发现的植物时，伊芙机体内的探测仪收起植物并进入休眠状态，瓦力未能使伊芙清醒，其后一艘太空舰前来接收伊芙，瓦力攀附在太空舰外壁随之进入太空，到达人类居住的太空船真理号（Axiom）。