Pada awal abad ke-22, sebuah perusahaan "raksasa" Buy N Large (BnL) menguasai perekonomian di Bumi, termasuk pemerintahan. Akibat dipenuhi sampah yang tidak didaur-ulang, maka Bumi menjadi sangat tercemar oleh sampah-sampah elektronik, sehingga kelangsungan hidup manusia menjadi terancam. Untuk mencegah kepunahan manusia, Shelby Forthright (Fred Willard) selaku CEO Buy N Large, melakukan pengungsian massal dari Bumi selama lima tahun di atas armada kapal luar angkasa eksekutif bernama axiom yang menyediakan setiap keperluan manusia, dan dilengkapi dengan robot-robot yang semuanya berjalan secara otomatis untuk melayani kebutuhan manusia.
Ratusan-ribu unit robot penghancur sampah yang dinamai dengan WALL•E ditinggalkan di Bumi untuk membersihkan Bumi. Robot-robot tersebut diprogram untuk memadatkan dan menumpuk sampah-sampah elektronik yang telah memenuhi seluruh daratan di Bumi, agar memudahkan untuk peleburan. Tumpukan sampah-sampah elektronik telah dipadatkan dan dikumpulkan oleh robot-robot WALL•E, tumpukan sampah tersebut telah setinggi gedung pencakar langit. Namun, proyek ini dibatalkan karena Forthright memperkirakan bahwa pada tahun 2110 Bumi sudah terlalu tercemar dan sudah tidak memungkinkan untuk dihuni oleh manusia. Pada tahun 2815, kira-kira 700 tahun kemudian, hanya satu WALL•E yang masih berfungsi.
Berabad-abad kehidupan telah dilalui oleh WALL•E, sehingga ia memiliki kecerdasan yang lebih baik dan rasa keingin-tahuan. Ia gemar mengoleksi barang-barang yang menarik di tumpukan sampah yang memenuhi Bumi, mengambil onderdil untuk suku cadangnya dariWALL•E lain yang sudah tidak aktif. Ia sering menonton film musikal tahun 1969 yang berjudul Hello, Dolly! dari kaset video. Video lainnya yang ia nikmati adalah Put on Your Sunday Clothes, dan adegan berpegangan tangan dalam video "It Only Takes a Moment" yang mengajarnya memiliki perasaan.
Pada suatu hari, WALL•E menemukan sebuah bibit tumbuhan, lalu menanamnya dalam sebuah sepatu usang. Tidak lama kemudian, sebuah kapal luar angkasa mendarat di Bumi dan mengeluarkan EVE (Elissa Knight), sebuah robot perempuan yang dikirim oleh pesawat raksasa yang bernama Axiom, ia diprogramkan untuk mencari tanda-tanda kehidupan flora di Bumi. WALL•E jatuh cinta pada pandangan pertama dengannya, EVE juga mengagumi kepribadian WALL•E. Sungguh disayangkan, ternyata cinta WALL•E tidak terbalaskan, karena EVE diprogramkan untuk mencari keberadaan tumbuhan di Bumi. Saat WALL•E menunjukkan bibit tumbuhan yang ditemukannya kepada EVE, EVE menyimpan bibit itu ke dalam tubuhnya, setelah itu EVE menjadi non-aktif secara otomatis. WALL•E berusaha melindungi tubuh EVE yang tidak berstatus non-aktif sampai EVE diambil kembali oleh pesawat yang mengantarnya ke Bumi. Dengan rasa gelisah dan panik, WALL•E mengejar pesawat itu. WALL•E berhasil menyusup ke dalam pesawat Axiom.
Setelah berabad-abad hidup dalam mikrogravitasi, manusia di pesawat Axiom banyak kehilangan kalsium, sehingga membuat mereka menjadi sangat gemuk dan tidak mampu berdiri atau berjalan. Aktivitas manusia sepenuhnya dilayani oleh robot. Pilot pesawat Axiom adalah Kapten B. McCrea (Jeff Garlin) juga memerintahkan segala tugasnya kepada sistem autopilot pesawat yang bernama AUTO (suara program MacInTalk). Saat WALL•E mengikuti EVE ke dalam kapal, kelakuannya yang tidak biasa, menyebabkan manusia dan robot bertindak tidak seperti biasanya. Khususnya M-O, robot dekontaminasi yang diprogramkan untuk membersih setiap pencemaran di dalam pesawat , ia mengejar WALL•E supaya ia dapat membersihkan kotoran asing yang bersumber dari Bumi, dan dua orang manusia bernama John (John Ratzenberger) dan Mary (Kathy Najimy) yang sebelumnya hanya melihat melalui media elektronik berupa monitor, sehingga mereka melihat pemandangan secara langsung karena WALL•E membuat mereka terlepas dari monitor yang terpasang di tempat duduk mereka.
Setelah sampai di dalam pesawat, EVE diaktifkan kembali dan diprogram untuk mengantar bibit tadi kepada McCrea agar diletakkan dalam alat pendeteksi yang dinamai holo-detector. Alat tersebut adalah sebuah mesin pendeteksi yang berfungsi memberikan informasi bahwa manusia dapat kembali hidup di Bumi, dan akan mengembalikan manusia ke Bumi secara otomatis setelah mendeteksi bibit tadi yang merupakan pedoman yang memungkinkan manusia untuk kembali hidup di Bumi. Sewaktu akan mendeteksi tumbuhan yang terdapat dalam tubuh EVE, bibit itu hilang. EVE dianggap telah rusak dan dikirim ke bagian perbaikan robot bersama WALL•E. Saat EVE diperiksa, WALL•Emenyangka EVE akan dihancurkan oleh mesin pemeriksa tersebut, lalu ia merampas senjata plasma EVE dan menembakkannya, sehingga membebaskan robot-robot rusak lainnya di ruang perbaikan. Tindakan WALL•E menjadi ancaman bagi setiap penghuni pesawat Axiom, EVE dan WALL•E menjadi buronan yang dianggap robot berbahaya. EVE yang tidak tahan dengan sikap WALL•E, mencoba mengantarnya kembali ke Bumi dengan menggunakan sebuah kabin.
Saat asisten utama McCrea (GO-4) tiba dan menyimpan bibit yang hilang itu ke dalam kabin; GO-4 yang mencurinya tanpa diketahui McCrea. Melihat bibit tersebut, WALL•E memasuki kabin tempat diletaknya bibit tersebut. GO-4 akan menghancurkan kabin tersebut dengan mengaktifkan program penghancuran secara otomatis sehingga akan meledak setelah hitungan mundur 20 detik. Saat itu WALL•E berada di dalam kabin tersebut, namun WALL•E berhasil meloloskan diri bersama bibit itu sedetik sebelum musnahnya kabin tadi. EVE lega karenaWALL•E menyelamatkan bibit itu dan mereka terbang dengan bahagianya di angkasa sekitar pesawat Axiom.
EVE dan WALL•E mengembalikan bibit itu kepada McCrea. Kapten McCrea ingin mengetahui bagaimana keadaan Bumi pada saat ini, lalu McCrea memutar rekaman yang direkam oleh kamera yang terpasang pada EVE, yang membuat EVE menyaksikan usaha WALL•E melindunginya ketika ia dalam status non-aktif. Akhirnya, EVE juga jatuh cinta pada WALL•E. Terpesona oleh gambar-gambar kehidupan zaman dulu di Bumi sebelum berdirinya Buy N Large, McCrea perihatin melihat kerusakan alam di Bumi yang digambarkan dalam rekaman EVE. Kemudian McCrea merencanakan agar manusia kembali ke Bumi untuk memulihkan segalanya. Namun, AUTO menegaskan bahwa manusia tidak boleh kembali ke Bumi, lalu ia terpaksa menampilkan tayangan berupa rekaman Shelby Forthright yang memerintahkan semua autopilot agar tidak mengembalikan manusia ke Bumi, karena proyek pembersihan yang diusahakan telah gagal. AUTO yang dirancang untuk menuruti perintah tersebut, memberontak dan membuang bibit tumbuhan tersebut. Dalam memperebutkan bibit itu, AUTO dengan ganasnya menyerang WALL•E yang mencoba melindungi bibit itu dan menekan tombol non-aktif di badan EVE. WALL•E dan EVE dibuang ke tempat pembuangan sampah bersamaan dengan bibit tadi, dan mengunci McCrea di dalam kamarnya.
Di tempat pembuangan sampah, EVE kembali aktif setelah sebuah tombol yang ada di dada EVE tersentuh oleh serangga. EVE berusaha mencari WALL•E, setelah menemukannya EVE melihat WALL•E telah rusak berat. Ia berusaha memperbaiki WALL•E, tapi usahanya sia-sia karena tidak ada komponen tubuh WALL•E yang cocok dengan yang ia temukan. Pada saat proses pembuangan sampah diaktifkan, gerbang pembuangan terbuka. Saat itu juga datang M-O yang mengejar WALL•E karena ingin membersihkan kotoran asing yang melekat di tubuh WALL•E. Kemudian M-O terjepit gerbang yang tertutup setelah sampah beserta WALL•E dan EVE dikeluarkan dari tempat pembuangan. Gerbang tidak sepenuhnya tertutup karena M-O terjepit pada gerbang saat mengejar WALL•E untuk membersihkan kotoran asing. Kesempatan ini digunakan oleh EVE untuk menyelamatkan diri dari pembuangan.
Setelah berhasil menyelamatkan diri dari tempat pembuangan sampah dengan bantuan M-O, EVE menolak perintah otomatis yang telah diprogramkan untuk membawa bibit ke pesawat. Ia masih berusaha untuk memperbaiki WALL•E, tapi WALL•E berharap EVE menuruti perintah tersebut sambil mengingatkan EVE jika seandainya mereka berhasil kembali ke Bumi,WALL•E dapat diselamatkan dengan suku cadang yang disimpannya.
WALL•E dan EVE membawa bibit tadi untuk diletakkan di mesin pendeteksi yang ada di pesawat Axiom dengan bantuan M-O. Mereka berdua dibantu McCrea yang menyuruh mereka agar cepat ke mesin pendeteksi tersebut, mereka juga dibantu robot-robot rusak yang membantu mereka dengan melawan robot-robot penjaga. McCrea membohongi AUTO dengan mengatakan bahwa bibit itu ada padanya, dengan mengelabui AUTO melalui visual dari monitor. Kemudian AUTO mendatangi McCrea, lalu mereka berkelahi. McCrea berhasil mengaktifkan mesin pendeteksi, mengakibatkan AUTO memiringkan posisi Axiom, mengakibatkan manusia-manusia yang tidak dapat berjalan menjadi berjatuhan dan tertumpuk di sudut pesawat. Auto mencoba menutup mesin pendeteksi tersebut, namun ditahan WALL-E dengan mengorbankan tubuhnya. McCrea berusaha untuk berdiri dan berjalan untuk mendekati dan mengalahkan AUTO. Pada saat perkelahian dengan AUTO, McCrea melihat tombol merah yang terbuka di bagian tubuh AUTO. Lalu McCrea menekan tombol tersebut, sehingga AUTO yang merupakan pengendali pesawat Axiom menjadi berstatus manual. McCrea dapat dengan sepenuhnya mengendalikan AUTO, dan mengembalikan posisi Axiom ke posisi semula. Akhirnya, bibit berhasil dimasukkan ke dalam mesin pendeteksi (holo-detector), dan melepaskan WALL•E yang bertambah rusak karena terjepit mesin pendeteksi yang akan menutup. Setelah bibit tadi dimasukkan ke dalam holo-detector, pesawat Axiom menuju ke Bumi dengan kecepatan cahaya.
Setelah mendarat di Bumi, EVE bergegas memperbaiki dan menghidupkan kembali WALL•E dengan menggunakan suku cadang yang ada di tempat tinggal WALL•E. Sayangnya,WALL•E telah rusak berat dan hampir semua komponennya ditukar oleh EVE dengan yang baru. Meskipun WALL•E telah diperbaiki dengan sempurna, tapi WALL•E bukanlah WALL•Eyang dikenal EVE. WALL•E telah menjadi WALL•E yang diprogram untuk mengerjakan tugasnya dan tidak memiliki perasaan dan ingatan yang dimiliki WALL•E yang EVE kenal. EVE sedih karena WALL•E yang dicintainya sudah tiada, EVE memegang tangan WALL•E lalu menempelkan kepalanya ke kepala WALL•E (bermakna ciuman). Percikan listrik dari “ciuman” tadi memulihkan ingatan dan kepribadian WALL•E, lalu dia dapat mengingat EVE dan bahagia karena dapat berpegangan tangan dengan EVE.
Manusia dan robot bekerjasama dalam memperbaiki kehidupan di Bumi dengan harapan baru, di bawah pimpinan McCrea. Akhirnya, kehidupan yang normal dapat dinikmati kembali oleh manusia. Seiring waktu dan kerjasama manusia dengan robot, Bumi kembali normal seperti sedia kala. Mengenai kelanjutan kehidupan manusia beserta para robot di Bumi, dapat dilihat pada lukisan-lukisan yang terdapat pada kredit penutup dalam film animasi ini.
