Di masa depan, bumi terpaksa harus ditinggalkan lantaran sudah dipenuhi sampah hasil produksi dari perusahaan Buy N Large yang tak bertanggung jawab. Untuk membersihkan sampah yang bertumpuk, dipilihlah WALL-E (Waste Allocation Load Lifter-Earth-Class), robot kecil yang diprogram untuk melakukan pembersihan global ini.

Setelah 700 tahun, WALL-E (Benjamin Burtt) tak kenal lelah membersihkan sampah yang menggunung itu. WALL-E tak pernah mengeluh dan merasa kesepian. Semuanya berjalan lancar sampai suatu hari WALL-E bertemu EVE (Elissa Knight). EVE adalah robot cantik yang dikirim untuk mencari informasi apakah bumi sudah siap dihuni lagi.

Celakanya, WALL-E malah jatuh cinta pada EVE. Selama EVE berada di bumi, WALL-E berusaha untuk selalu melindungi EVE. WALL-E bahkan menunjukkan lokasi di mana ada tumbuhan yang mulai tumbuh. Bukti bahwa bumi sudah mulai menampakkan gejala dapat dihuni lagi.

EVE yang berpegang pada tugas yang diembannya, kemudian menghubungi pembuatnya. Beberapa waktu kemudian, sebuah pesawat datang menjemput EVE. WALL-E yang terlanjur cinta pada EVE kemudian ikut menyusup ke pesawat yang seharusnya hanya membawa EVE itu.

Pesawat itu kemudian membawa EVE dan WALL-E ke sebuah pesawat ruang angkasa besar yang ternyata berisi keturunan manusia yang meninggalkan bumi. Sayangnya tidak semua orang menginginkan kembali ke bumi.