Оригинальное название фильма WALL-E является акронимом от Waste Allocation Load Lifter Earth-Class[1] (приблизительный перевод: мусоропогрузчик земного класса). В российском прокате фильм получил название «ВАЛЛ-И» или же со стилизованным дефисом «ВАЛЛ·И» (акроним от Вселенский Аннигилятор Ландшафтный Лёгкий · Интеллектуальный[4]). Оригинальное английское название, при произношении звучит как «УОЛЛИ», и похоже на имя «Wally» (от Wallice). В Великобритании слово «wally» также означает «дурачок». Такое человеческое имя, по всей видимости, выбрано неслучайно, так как с самого начала очеловечивает главного персонажа — робота.

В 2100-х годах мегакорпорация Buy 'n Large взяла под контроль всю сферу экономических услуг на Земле, став в итоге мировым правительством. Из-за большого количества неперерабатываемых отходов планета становится настолько грязной, что на ней больше нельзя поддерживать жизнь. В попытке сохранить человечество, Buy 'n Large осуществляет его исход в космос на борту крупнейшего в истории человечества корабля «Аксиома» (в сюжете также есть неясные упоминания о других кораблях). На очистку планеты были брошены тысячи роботов ВАЛЛ-И. Однако, семьсот лет спустя, в рабочем состоянии остаётся только один ВАЛЛ-И (Бен Бёртт). Планета по-прежнему покрыта мусором, часть из которого сложена в огромные башни. После столетий пребывания в состоянии микрогравитации (изначально полёт должен был продолжаться пять лет) люди на борту «Аксиомы» лишились значительной костной и мышечной массы и стали настолько ожиревшими, что не могли стоять или двигаться без помощи роботов. Любая задача на борту корабля выполняется роботами, включая его пилотирование, осуществляемое роботом-автопилотом AUTO (озвучен программой MacInTalk).
Длительная работа ВАЛЛ-И способствовала развитию в нём личности. Он вместе со своим тараканом собирает всевозможные остатки былой цивилизации, которые находит среди гор мусора. Необычной же находкой становится растение, обнаруженное под одним из выброшенных на помойку холодильников. В своём «доме» на iPod'е через линзу Френеля он регулярно просматривает видеокассету с фильмом «Хэлло, Долли!» (1969), где ему особенно нравятся музыкальные номера «Sunday Clothes» и «It Only Takes a Moment». Запись учит его человеческим чувствам, эмоциям и поведению, из которых ему нравится больше всего — держаться за руки. Однажды на планету прилетает ЕВА (Естествоведческая Автоматика, в оригинале EVE (Extraterrestrial Vegetation Evaluator); озвучена Элиссой Найт) — робот, посланный с «Аксиомы» для поиска растительной жизни. ВАЛЛ-И влюбляется в неё, но несмотря на все его усилия, главным для ЕВЫ остаётся её программа. Когда ВАЛЛ-И показывает ей найденное растение, она сразу же помещает его в специальное хранилище внутри себя и отключается. ВАЛЛ-И пытается разбудить её, помочь ей, пытается играть с ней в Pong до счета 8000:0, ухаживает за ней, пока за ней не прибывает корабль. Когда корабль увозит ЕВУ с Земли, ВАЛЛ-И цепляется за наружную обшивку корабля и улетает вместе с ним.
На борту «Аксиомы» ВАЛЛ-И следует за ЕВОЙ до места назначения. Его действия создают переполох в повседневной рутине как роботов, так и людей. В частности, ВАЛЛ-И добавляет работы М-О (Microbe Obliterator, произносится им похоже на «моп» — англ. mop «швабра») — специальному роботу-уборщику, которому приходится убирать оставшуюся от гусениц грязь. Также ВАЛЛ-И случайно отключает от специальных устройств двух людей: Джона и Мэри, которые до этого не замечали мир вокруг себя.
На мостике ЕВА пытается показать капитану МакКрею (Джефф Гарлин) обнаруженное растение, но оно исчезло. AUTO сообщает капитану, что ЕВА неисправна и отправляет её на диагностику вместе с ВАЛЛ-И. Ошибочно полагая, что диагностический робот причиняет вред ЕВЕ, ВАЛЛ-И берёт её руку-оружие и случайно освобождает всех дефектных роботов. В тот момент, когда ЕВА пытается вернуть руку, их помечают как опасных роботов. ЕВА пытается вернуть ВАЛЛ-И обратно на Землю, но он отказывается возвращаться без неё. В этот момент появляется помощник AUTO — GO-4, который помещает пропавший ботинок с растением в спасательный корабль запрограммированный на самоуничтожение через некоторое время. ВАЛЛ-И спасает растение из взрывающегося корабля, и ЕВА возвращает его МакКрею. Он просит показать запись с Земли, в которой она видит, как ВАЛЛ-И заботился о ней, после того как она отключилась. Капитан потрясён обстановкой на Земле и решает, что люди должны вернуться и исправить это положение.
Но AUTO настаивает на том, что они не могут вернуться на Землю, и показывает запись, в которой глава компании Buy 'n Large Шелби Фортрайт (Фред Уиллард) даёт указание автопилотам никогда не возвращаться на Землю, так как планета никогда уже не будет пригодна для жизни. Капитан отказывается подчиниться AUTO, тогда тот запирает капитана в его жилом отсеке, наносит серьёзные повреждения ВАЛЛ-И и деактивирует ЕВУ, отправляя их и растение в мусорный отсек. Там ЕВУ случайно активируют роботы REM-E (электронные мыши), и она пытается починить ВАЛЛ-И, но поиски запасных частей для ремонта ни к чему не приводят. ВАЛЛ-И указывает ЕВЕ на растение и говорит про землю, давая понять, что там есть запчасти к нему.
Заботясь о повреждённом ВАЛЛ-И, ЕВА и примкнувшие к ним дефектные роботы отправляются в главную часть корабля. В это время капитан смог пробраться к пульту управления. Он рассказал ВАЛЛ-И и ЕВЕ, что они должны поставить растение в нанодетектор, который выдвигается из пола на центральной палубе корабля. После небольшого сражения между ним и AUTO судно сильно накреняется, и пассажиры начинают перемещаться в сторону наклона. ЕВА спасает их от падающих транспортных кресел, но AUTO активирует закрытие нанодетектора. Тогда ВАЛЛ-И использует свой корпус, чтобы воспрепятствовать этому. Капитан встаёт на ноги, вызывая изумление у пассажиров, и отключает AUTO, восстанавливая порядок на борту корабля. После того как растение было помещено в нанодетектор, «Аксиома» совершает гиперпространственный прыжок на Землю. Сильно повреждённый ВАЛЛ-И отключается.
После прибытия корабля на Землю ЕВА начинает ремонт ВАЛЛ-И, но повреждения оказываются настолько сильными, что после ремонта ВАЛЛ-И не помнит ЕВУ и того, чему он научился за время своего существования. Он лишь помнит заложенную в него базовую программу: собирать мусор и прессовать его в кубики. ЕВА пытается заставить ВАЛЛ-И вспомнить её, но попытки оказываются тщетными. Тогда она «целует» его, и от статического разряда память ВАЛЛ-И перезагружается. К нему возвращаются все воспоминания и усвоенные им знания. Он вспоминает ЕВУ и видит, что она взяла его за руку. В конце фильма, камера оператора отдаляется от наших героев, пролетая через холмы, покрытые растительностью. А это значит, найденное ВАЛЛ-И растение было не единственным на Земле.