В XXII веке глобальное потепление привело к таянию полярных льдов, затоплению береговых линий, что вынуждает правительство США принять законы, строго ограничивающие деторождение. Появляется новый класс роботов — человекоподобные андроиды, способные эмулировать мысли и эмоции.
Созданный в качестве замены обычным детям, Дэвид представляет собой андроида нового поколения, способного испытывать привязанность и искреннюю любовь к людям.
Мальчикоподобный робот мечтает стать настоящим, что, по его мнению, можно, только если Голубая Фея исполнит его желание. Как и другие прототипы механизмов нового поколения, внешность Дэвида идентична человеческой, однако он функционирует на основе аккумулятора.
Создатели позаботились о том, чтобы киборг был полноценной личностью, однако на практике он довольно часто неправильно интерпретирует слова и поступки окружающих. Поскольку андроид кроме любви испытывает и другие человеческие эмоции, в частности, ревность, ему свойственно импульсивное поведение.
В фильме "Искусственный разум" Дэвид, прототип модели, созданной компанией «Кибертроника», — робот, запрограммированный на любовь к своим человеческим владельцам. Компания тестирует своё творение на одном из сотрудников, Генри Свинтоне, и его жене, Монике. Сын Свинтонов, Мартин, был помещён в анабиоз до того момента, пока не найдётся способ вылечить его редкую болезнь. Несмотря на то, что Монику поначалу пугал Дэвид, она всё же активировала в нём программу проецирования любви. Дэвид также подружился с Тедди, роботом-плюшевым мишкой, который заботится о благополучии андроида.
После того как лечение для Мартина было найдено, тот возвращается домой, где наступает соперничество между ним и Дэвидом. Мартин убеждает Дэвида пойти ночью в спальню родителей и отстричь у Моники прядь её волос, но в момент, когда Дэвид делает это, супруги просыпаются. На вечеринке у бассейна один из друзей Мартина, пытаясь активировать программу самозащиты Дэвида с помощью ножа, сильно пугает его. Дэвид крепко цепляется за Мартина, и они оба падают в бассейн. Даже на дне Дэвид продолжает держать его. От утопления Мартина спасает Генри. Родители шокированы действиями Дэвида и беспокоятся о том, что его способность любить также дала ему способность ненавидеть. Генри убеждает Монику отдать Дэвида в «Кибертронику», где он будет уничтожен. Тем не менее, по пути в компанию Моника решает оставить его в лесу вместе с мишкой, чтобы уберечь его от разрушения. Оставшись с Тедди, Дэвид вспоминает сказку Карло Коллоди «Приключения Пиноккио», которую ему читали родители, и решает разыскать Голубую Фею, чтобы та превратила его в настоящего мальчика. Он полагает, что мама полюбит его после этого. Отправившись на поиски, он попадает на шоу-мероприятие «Ярмарка плоти», где устаревших роботов уничтожают перед ликующей толпой. Дэвид оказывается в шаге от уничтожения, но зрители, обманувшись реалистичным характером Дэвида, единственного из всех роботов, кто умолял сохранить ему жизнь, отпускают его. Он убегает оттуда вместе с Жиголо Джо — роботом, ударившимся в бега после обвинения в убийстве, которого не совершал.
Джо, Тедди и Дэвид отправляются в Красный Город — мегаполис США. Благодаря информации из голографической справочной системы, называющейся «Доктор Ноу», герои добираются на верхние этажи Рокфеллеровского центра в частично-затопленном Манхэттене. Туда они попадают на амфибилёте, летательном аппарате, способном также погружаться под воду, который они украли в Красном Городе у полиции. В Манхэттене Дэвид встречает своего создателя, профессора Аллена Хобби, который рассказывает ему, что их встреча — это эксперимент, показывающий реальность любви и желания Дэвида. Кроме того, становится ясно, что изготовлено уже много копий Дэвида, в том числе и версии женского пола. Дэвид, к своему сожалению, осознаёт, что не является уникальным. Впав в уныние, он пытается покончить жизнь самоубийством, упав с выступа небоскрёба в океан, но Джо спасает его на амфибилёте. Дэвид говорит Джо, что видел Голубую Фею под водой, и хочет спуститься к ней. В этот момент Джо хватает полиция при помощи электромагнита. Дэвид и Тедди спускаются на дно в амфибилёте на поиски Феи, которая оказывается статуей из аттракциона на Кони-Айленд. Тедди и Дэвид оказываются в ловушке, когда колесо обозрения Wonder Wheel (англ.)русск. падает на их транспортное средство. Полагая, что Голубая Фея реальна, Дэвид просит, чтобы она превратила его в настоящего мальчика, повторяя своё желание до того момента, пока его внутренний источник питания не кончается.
Так проходит две тысячи лет. Человечество вымирает, а Манхэттен похоронен под несколькими сотнями футов льда. Роботы превратились в высокоразвитые гуманоидные формы. Они находят Дэвида и Тедди, выясняют, что те являются древними роботами, которые видели живых людей, и размораживают их. Очнувшийся Дэвид подходит к замороженной статуе Голубой Феи, которая трескается и разрушается после того, как он прикасается к ней. Получив и осмыслив воспоминания Дэвида, футуристические роботы реконструируют дом семьи Свинтон и объясняют ему при помощи интерактивного изображения Голубой Феи, что невозможно сделать его человеком.
Тем не менее, по настоянию Дэвида, они воссоздают Монику через образец ДНК из пряди её волос, которую сохранил Тедди. Но она может жить лишь один день, и этот процесс не может быть повторён. Дэвид проводит свой самый счастливый день с Моникой и с Тедди. В конце дня она ложится спать в последний раз; Дэвид ложится рядом с ней, закрывает глаза и отправляется «туда, где рождаются мечты».
