宇宙世紀0071年。サイド3ムンゾ自治共和国の議長だった父ジオン・ズム・ダイクンを亡くしたキャスバルとアルテイシアは、父の側近ジンバ・ラルと一緒にサイド3を脱出。地球で、エドワウ・マスとセイラ・マスと名前を変えて生活していた。一方サイド3はジオン自治共和国と国名を改め、副議長だったデギン・ソド・ザビ率いるザビ家が実権を掌握。ザビ家はキャスバルとアルテイシアを追いつつ、対地球連邦軍をにらみ、新兵器のモビルワーカーの開発に着手していた。
曾经作恶多端的大坏蛋麦克迈（威尔·法瑞尔 Will Ferrell 配音）在弃恶从善，化身为大都会的守卫者后，他当初发明出来的一系列邪恶道具再无用处。麦克迈灵机一动，举办了一次邪恶巢穴展销会，将恐怖泰迪熊、蜘蛛机器人、激光枪、火焰喷射器、死亡靴轮等当年的邪恶作品拿出来拍卖，任市民们选购。黄昏将近，拥挤不堪的巢穴变得空空荡荡，不过还有一个带着按钮的小盒子没有销售出去。麦克迈忘记了它的用处，随便按了一下，却意外启动了自己发明的最强大最邪恶的巨型机器人作品——超级超级大坏蛋（MMM）。面对一身正义战士装束的麦克迈，机器人不认旧主，向其发起了无情的攻击……
在未来世界，由于痛失爱子，天才科学家天马博士（尼古拉斯·凯奇 Nicolas Cage 配音）创造出了机械人阿童木（弗莱迪·海默 Freddie Highmore 配音），想以此来作为儿子的替身，寻找安慰。虽然，阿童木拥有博士儿子的情感和记忆，而且先进的程序还在不断完善其情绪，并让他富有同情心。可是，博士始终无法接受失子之痛，对阿童木也不能正确对待，并认为他不是人类而将其抛弃。阿童木沦落为无家可归的流浪儿，而且还备受军方的四处通缉，并最终被抓住。军方要求天马博士拿掉阿童木的能源，让它变成军方机器人的能源配备。在最后时刻，天马博士突然醒悟，并协助阿童木逃走。面对军方的围追堵截，阿童木奋起反抗，最终一场惊世大战一触即发。在不断的旅行过程中，阿童木也逐渐成长，他也接受了自己这机械与人类结合的设计，并肩负起全人类生死存亡的重任。
