A história do filme decorre no futuro, onde Wall-E, o último robô em funcionamento no planeta Terra, tem a missão de reciclar o excesso de lixo produzido pelos humanos, a fim de tornar viável a sobrevivência no planeta Terra.

Enquanto isso a tripulação humana encontra-se refugiada numa estação aérea.

Certo dia, Wall·E descobre uma pequena planta crescendo entre o lixo e leva-a para casa.

Mais tarde, uma nave aterra e implanta EVA, um avançado robô enviado para procurar sinais de vegetação na Terra. Wall·E apaixona-se por EVA.

Quando ele lhe mostra a planta, ela automaticamente a guarda e envia um sinal de recolhimento para a nave, que retorna ao espaço, levando Wall·E para a estação aérea onde estão os humanos.

Neste lugar, em meio a muitas aventuras, o capitão da nave decide voltar a Terra, pois considera que a planta é um sinal de que a mesma pode ser novamente reabitada e, após tentativa de impedimento pelo piloto automático da nave, ele retorna com a tripulação à Terra na expectativa de recolonizá-la e restaurar o meio ambiente do planeta que até então estava impossibilitado de sustentar a vida humana.