İnsanlığın aşırı kirlilik yüzünden Dünya'yı terk ettiği bir gelecekte, küçük bir atık sıkıştırma robotu olan WALL·E, gezegeni temizlemek için yüzyıllardır yalnız başına çalışmaktadır. Gündelik rutini, insanların geride bıraktığı eşyalardan kendine bir yaşam alanı kurmak ve merakla topladığı nesneleri incelemekle geçer. Bu düzen, gökyüzünden inen gelişmiş bir keşif robotu olan EVE ile tanışmasıyla tamamen değişir.

WALL·E, EVE'ye duyduğu hayranlıkla ona yaklaşırken, sakladığı küçük bir bitki filizini gösterir. EVE'nin asıl görevi Dünya'da yaşam belirtisi aramaktır ve bu filiz onu otomatik olarak görevini tamamlamaya yönlendirir. EVE, bitkiyi alarak insanlığın yaşadığı dev uzay gemisine dönmek üzere yola çıkar, WALL·E ise onu takip eder.

Uzay gemisinde, insanların tamamen teknolojiye bağımlı ve hareketsiz bir hayat sürdüğünü keşfederler. WALL·E ve EVE, bitki filizini geminin otomatik sistemlerinden ve onu yok etmek isteyen bir robottan korumak için mücadele eder. Bu süreçte aralarında gelişen bağ, onları insanlığın Dünya'ya dönüşü için umut veren bir yolculuğa sürükler.