2805년, 지구는 수 세기에 걸친 환경 방치와 무분별한 소비주의로 인해 쓰레기로 뒤덮인 살 수 없는 황무지가 되었다. 인류는 700년 전 우주로 떠나며 지구를 청소하기 위해 월-E 로봇 군단을 남겨두었다. 이 로봇들은 모두 기능을 멈추고 오직 하나만이 남았다. 마지막으로 남은 월-E는 독특한 성격을 갖게 되었고, 애완용 바퀴벌레와 함께 쓰레기를 압축하고 흥미로운 물건들을 수집하며 하루하루를 보낸다. 그의 고독한 일상은 지구의 지속 가능한 생명체를 탐색하기 위해 파견된 세련되고 미래지향적인 로봇 이브의 등장으로 변화를 맞이한다. 월-E는 이브에게 첫눈에 반하게 되고, 두 로봇의 만남은 은하계를 가로지르는 일련의 사건들로 이어진다.
