一天，紐約偵探利傑·巴利被召到警察局長米利葉斯·恩德比的辦公室。局長通知探長，派他同一位外星人一道去偵破一樁發生在外星城的謀殺案。外星城地處紐約市郊，外星人聚居在此。探長得到晉陞、額外的居住空間以及保密的許諾，便接受了任務。棘手的是，巴利的拾檔是機器人。對此，他大為惱火。與機器人共事挺彆扭的，再說，要是機器人幹探比巴利還再行，那麼他說不準會掉飯碗的。

周末，巴利的妻子傑西告訴丈夫，滿成都在謠傳一個機器人已經進了城，正呆在一位警察家裡。她感到害怕，因為不想捲入反機器人騷亂中去。

丹尼爾提醒巴利，腦紋分析已經顯示恩德比不可能殺人。但巴利仍不動搖。他在命案現場的放大的照片上指出恩德比的眼鏡碎片——而恩德比稱自己從未去過那地方。巴利進一步指探恩德比充當復古派的特務，潛入外星城毀掉外星人的最新型機器人丹尼爾。但由於緊張，跌了一跤，摔壞了眼鏡。沒有眼鏡，他誤將薩頓博士當做博士設計的替身機器人，結果博士做了冤鬼。

在回巴利的狹小的住宅途中，巴利與丹尼爾倆停下來平熄一場反機器人騷亂。丹尼爾拔出噴氣槍(能噴出致命的氣體)威脅騷亂者人群立即散開了。但丹尼爾的行動卻使巴利感到不安，巴利知道機器人系統受程序法律的控制，而第一條法律就是禁ｈtｔｐs://rｅad.９9csｗ•ｃom止傷害人類。

紐約已經成為八百座特大城市之一，每座城市都是一座自給自足的封閉式「鋼窟」，自身完全滿足二千萬市民的需求。然而，地球公民在遁入鋼窟之前，早已在宇宙間殖民了三十萬星球。「外星人」便是殖民者的代表，他們重返地球，試圖向宇宙開放這個與世界隔絕的星球。

巴利在外星城發現，他的搭檔R·丹尼爾·奧利瓦是最新型機器人，外表酷似人。頗具諷刺意味的是，丹尼爾被塑造成與他的創造人薩爾頓博士的形象一模一樣。博士是一位機器人研製工程師，被神秘地謀殺了，而機器人協助巴利調查的正是此案，巴利還了解到別的情況：有關專家分析了外星城所有外星人腦紋后得出結論，外星人中誰也不會在殺人。倒是外星人相信謀殺是地球人乾的，而且外星人警方在外星城門的調查表明，案發期間只有一個地球人去過現場，他就是巴利的上司警察局長。

接著，丹尼爾透露，他相信巴利的妻子捲入了反機器人陰謀。傑西怎麼會知道他是機器人呢？丹尼爾進而指出，她將兒子拖進了危險的境地。除非她知道騷亂何時、何地發生，否則她決不會挺而走險的。

博士遇害前夕，恩德比和他有個約會。可是，對恩德比的腦紋分析表明，他同外星htｔｐｓ://ｒeａｄ.99csｗ•ｃoｍ人一樣不可能殺人。(事實上，恩德比聽到薩頓之死時，心煩意亂，倒了下去，打碎了他戴的老式眼鏡)外星人斷定，準是另一位地球人潛入外星城，犯下謀殺罪。然而，巴利對這個推理半信半疑。

第二天，巴利同丹尼爾和外星人協調員法斯托爾夫博士開會，恩德比也通過錄相參加會議。巴利坦然相告，他已破了案。實際上並沒有發生謀殺案。只是機器人創造者毀滅了他的機器。現在，薩頓博士正是丹尼爾的替身。巴利的結論是，薩頓準是介入了某種複雜的陰謀，向外星人製造侵略並統治地球的借口。巴利的推理是，首先，那「機器人」更象真人；其次他對人動用了槍——此舉動太怪異了；最後，機器人老愛上男廁所。斯托爾夫卻斷然駁斥這些推論。他指出，驅散騷亂時機器人並沒有開槍；丹尼爾上廁所是向上司通電話。再說，經檢查，丹爾爾確系機器人。

後來，巴利和丹尼爾在公共食堂進餐時，丹尼爾指出他倆受到了監視。他倆離開時，又發覺被盯梢，不過，巴利在自動人行道上一陣奔跑，甩掉read.99csw.com了盯梢者。丹尼爾認出其中兩位盯梢者參与了騷亂。處境危險，巴利和丹尼爾便離開巴利家，另租房住。隨後不久，巴利的兒子少年本特勒受母親的吩咐，前來探望父親的要危。他是在父親的辦公室弄到新地址的。

與此同時，丹尼爾專註于那群騷亂者，並斷言能在他們中查出薩頓的謀害者。顯而易見，騷亂者大都是些復古派——政治上的極端保守主義者，渴望重返過去沒有機器人的「美好的日子」。

正當巴利竭力替妻子辯護時，傑西本人卻趕到了辦公室，淚流滿面地承認了她與復古派的牽連。一天，她和巴利沙架后，便去拜訪一老熟人，並且加入了「阻止機器人入侵」的人群。為他們通風報信，如此而已。現在，她對復古派的所作所為感到了毀滅，便對丈夫的生命安危憂心忡忡。

這時，恩德比局長終於癱了，供認不諱。外星人聽完案情，承諾不起訴局長，因為他本意是毀滅機器人，只是誤殺了博士。作為對慈悲的回報，局長欣然答應協助外星人將人類再次送到外星去。

傑西認出一位名叫克勞澤的復古派陰謀分子。克勞澤被逮捕，巴利訊問他的動機。原來，克勞澤覺得受到機器人的威脅，他鄙夷他們儼然保護者的姿態，也不承認他們有什麼了不起。巴利則針鋒相對：「我們reａd•99ｃsw•ｃｏｍ卻造不出具有人性的機器人……造不出具有審美威、倫理道德、宗教意識的機器人。只要我們解不開大腦運動的奧秘，我們就無法……我們只好永遠在不可知的邊緣上跌撞。」

巴利最終為斯托爾夫的雄辯所折服——但並不完全相信。他擔心自己的指責會引起外星人的不滿，但他的顧慮是多餘的。相反，他們要求恩德比立案偵查，這位天才的機器人專家。會後，斯托爾夫博士告知巴利，一些外星人關切人類的前途。他們視城市文明為即將爆炸的炸彈，因為人口膨脹，資源供不應求，而在另一方面，外星文明變得過於穩定，仿若凍僵似的，難有什麼變化與發展。因此，開明派外星人想迫城市居民鑽出巢穴，移居外星，重新給殖民地注入活力。這些設想引起了巴利的沉思，不過，他更關心偵破這樁謀殺案。

翌日，在辦公室巴利和機器人專家赫里格博士與丹尼爾對質。巴利對丹尼爾在騷亂時的行為仍然放心不下，便請來專家驗證是否有人篡改了機器人的「第一條戒律」。赫里格博士的試驗證實機器人的全部系統都未經任何觸動。丹尼爾也指出，他的槍是假槍。巴利的最後一個疑團解開了，他只得考慮謀殺案系地球人所為的看法。

外星人帶來了機器人，滿足他們的一切需要。地球人與外星人爆發了一場短暫的戰爭，之後，機器人按照外星人的意圖，開始融入地球文明，取代了眾九*九*藏*書多地工人，從而導致了無數的反機器人騷亂。

隨後，丹尼爾來到警察局辦公室，卻發現，機器人勤雜工R·薩米被人故意毀其功能——丹尼爾稱之為被「謀殺。」巴利被恩德比蒂進另一間辦公室，並受到反覆盤問。他猛然醒悟，有人在誣陷他毀滅機器人勤雜工。他向丹尼爾求救，但丹尼爾已被調離此案。機器人還披露，派他協助巴利辦案，他實際上秘密負有特殊使命：證明人類與機器人能和睦相處，他已經完成了使命。巴利知道，外星人的當務之急是重返宇宙，再次殖民。這次，人類將與機器人聯手共同在外星重溫殖民夢。這就是他們派丹尼爾與巴利塔檔的秘密意圖。

丹尼爾回外星城之前，巴利請他幫最後一次忙：動用幾小時他的邏輯思維。巴利和丹尼爾蹉商后，便去當面指揮恩德德比：他就是毀滅R·薩米的兇手。恩德比卻反咬巴利是兇手。一不做，二不休，巴利拔出噴氣槍，重複指控，並斷定若沒有人泄密，復古派是不可能知道機器人來到地球的，而恩德比則是廖廖幾個丹尼爾進城的知情者之一。巴利還指探，當他和丹尼爾移居時，是恩德比指使傑西通知復古派的。毀滅機器人勤雜工的邏輯動機是要掩蓋警察局長捲入了薩頓博士謀殺案。恩德比和機器人勤雜工被放進外星城時，他交給機器人一支噴氣槍，帶過空曠地帶。他倆一進入外星城，恩德比便將噴氣槍接過來，用它殺害了薩頓。