Het is het jaar 2815. Terwijl de mensheid de planeet Aarde vanwege oververvuiling heeft moeten verlaten, is het kleine robotje WALL-E in zijn eentje nog steeds bezig met het schoonmaken van de verlaten planeet. Elke dag weer maakt hij van de grote bergen afval kleine pakketjes en neemt de unieke spullen die hij tegenkomt in het vuilnis mee naar huis. Op een dag wordt de robot EVE naar de planeet Aarde gestuurd om te onderzoeken of het leven op de planeet weer mogelijk is.

Het is het jaar 2067 en de aarde lijdt onder een enorme klimaatcrisis en een wijdverpreide ziekte veroorzaakt door bijwerkingen van een synthetische zuurstof. Wanneer arbeider Ethan Whyte een mysterieus radiosignaal uit de toekomst onderschept moet hij zijn doodzieke vrouw achterlaten en via een reis door de tijd zijn diepste angsten onder ogen zien in een poging de aarde te redden van de ondergang.