该故事背景设定于洋溢着怀旧科幻气息的20世纪90年代。由米莉·波比·布朗扮演的米歇尔，她是一位无依无靠的孤儿，生活在一个曾经是人类与机器人和平共处的时代，然而由于一场起义的失败，机器人被迫流亡。在一个偶然的夜晚，神秘而迷人的机器人科斯莫进入了她的世界，颠覆了她对世界的理解。科斯莫似乎是由她被认为已故的天才弟弟克里斯托弗操控，而她长久以来都以为他已不在人世。为了寻回这位失散的亲人，米歇尔与科斯莫携手踏上了一段穿越美国西南部的征途。在这段旅程中，他们意外地遇到了廉价的走私者济慈以及他的滑稽机器人伙伴赫曼。他们深入封闭的隔离区，在这片被高墙围困的机器人独立生存的沙漠地带，济慈与米歇尔发现了一群形态奇特、色彩斑斓的新机械伙伴，并逐渐揭开了克里斯托弗失踪事件背后的黑暗真相。