Au début du XXIIe siècle, la compagnie Buy n Large monopolise l'économie de la Terre et devient un gouvernement mondial. La surconsommation a tôt fait de transformer le monde en un dépotoir et, dans une tentative de préserver l'humanité, la société commandite un exode massif à bord de vaisseaux spatiaux. Durant les cinq ans que doit durer l'exode, la compagnie envoie des milliers de WALL·E (Waste Allocation Load Lifter Earth-Class) pour nettoyer la Terre. Après 700 ans, il ne reste plus qu'un unique WALL·E. Sa solitude prend fin lorsqu'un jour une fusée dépose une sonde robotisée immatriculée EVE (Extraterrestrial Vegetation Evaluator, littéralement Évaluatrice de la végétation extraterrestre), chargée de ramener aux humains une preuve de vie sur Terre. WALL·E tombe amoureux d'EVE, et lui offre une plante verte qu'il a découverte lors de ses opérations de nettoyage. La fusée qui a déposé EVE revient la chercher et WALL E accourt pour ne pas la laisser partir. L'appareil embarque EVE puis décolle mais il emmène aussi WALL E accroché à sa coque. WALL E découvre que les humains ont survécu dans un gigantesque vaisseau. Toutefois, AUTO, le pilote automatique du vaisseau, fait tout pour se débarrasser de la plante, puis de WALL·E et d'EVE, car des instructions secrètes lui interdisent de permettre aux humains de regagner un jour la Terre.