Земля обратилась в выжженную пустыню, на которой люди давно уже покинули планету, улетев на огромных комфортабельных звездолетах, мечтая в один прекрасный день вернуться. Остался лишь маленький робот ВаллИ, который не покладая рук, день ото дня перебирает и утилизирует горы мусора, оставленные после себя людьми. Однажды в куче мусора ВаллИ находит живой побег какого-то растения и начинает за ним ухаживать.

В это время потомки людей покинувших Землю, ведущие пассивный и никчемный образ жизни уже несколько столетий блуждают в космосе и мечтают ступить на твердую землю. Они отправляют на Землю робота-разведчика Еву, с целью обнаружения признаков жизни. И благодаря ВаллИ ей это удается. Она находит растение и возвращается на корабль. ВаллИ большую часть жизни проведший один больше не желает мириться со своим одиночеством. Именно ради нее он готов попрощаться со своим привычным образом жизни и работой. ВаллИ отправляется вслед за Евой.