影片前3/4大致讲述了这样的故事：未来，大量智能机器人为人类提供服务，但是为机器人赋予情感一直被设为禁区。大卫是第一个被植入情感的机器男孩。他被作为一个试验品送给机器人公司员工的妻子莫妮卡以缓解失子之痛。大卫的情感程序让她对莫妮卡形成了与人类小男孩毫无二致的强烈依恋与爱。然而莫妮卡的亲生儿子意外苏醒，大卫被抛弃。大卫坚信自己可以像童话故事里的木偶男孩那样找到蓝仙女，让她把自己变成一个真正的小男孩，重新回到“妈妈”身边。可这个信念其实也只是机器人公司暗藏在大卫体内的一个指令，指令最终指引他回到了自己的诞生地，并意识到自己只不过是量产型号的原型而已。大卫万念俱灰，决定结束自己的生命，却意外地在淹没于海平面下的某公园里见到了蓝仙女的雕像，他最后在蓝仙女面前苦苦祈祷，希望她把自己变成一个真正的小男孩……
至此为止，多数人都认为斯皮尔伯格几近完美地再现了库布里克作品应有的风格。可影片并未就此结束，最后1/4，剧情发生了相当怪异的转变：沧海桑田，人类文明终结，机器人大卫被未来统治地球的智慧生命（似乎是高度进化后的机器人）重新唤醒。大卫提出让智慧生命帮自己找回妈妈。智慧生命说，只要有那个人身体的某一部分，他们就可以复活生命，但那些复活的生命，只能存在一天，当他们在那天晚上睡着后，就会再度死去，所以大卫的妈妈也只能再重新活一天。大卫正好保存着莫妮卡的一撮头发，于是莫妮卡复活，大卫陪着这个用头发克隆出来的莫妮卡度过了人生中最幸福的一天，直到她再次睡去。
“复活一天”这个情节被认为是影片最大的败笔。把妈妈克隆出来这种狗血设定，被认为是斯氏温情泛滥所致，但斯氏又想把结局变得更煽情一些。让你先得到，然后再失去。所以“复活一天”看上去纯粹是为煽情而设，太刻意。一部本该完美的库氏杰作，就这样毁于斯氏的滥情。
但是大部分观众其实没有明白库氏和斯氏的用意。那些智慧生命要做的，其实是“招魂”。他们并不是用那撮头发做一个新的拷贝，而是要用它召回那个早已经逝去的灵魂。用科技创造一个新的生命并不难，但是科技如何找回那个曾经存在过的、唯一的“自我意识”？科技可以重造身体，但是这个新的身体里的灵魂，跟原来那个灵魂有任何关系吗？一点关系也没有！这其实是《人工智能》最为叹为观止的情节设计，库氏和斯氏明白，生命的终结是神降给人类最高的诅咒，灵魂的消亡是永恒的宿命。登峰造极的科技，也只能让那个已经烟消云散的魂魄重见天日一天。这短暂的一天，已经是生命的智慧与这个永恒诅咒相抵抗的极限。
于是，在这灵魂归来的最后一天里，机器人与人类之间的鸿沟，升华成了永恒的爱与注定凋零的短暂生命之间的距离，永远不可能超越。所以，当妈妈的意识就要永远消散之前，饱经风霜挫折的大卫才第一次流下了眼泪，他变成了真正的小男孩。因为此刻，他才意识到，这一别，是真的再也无法重聚了。
