In einer fernen Zukunft ist die Erde durch Umweltverschmutzung aufgrund des gesteigerten Massenkonsums und der daraus resultierenden Vermüllung unbewohnbar geworden. Die Menschen haben die Erde daher bereits vor Jahrhunderten in mehreren vollständig autarken Raumschiffen, u. a. der Axiom des Supra-Konsumerkonzerns Buy n Large (BNL), verlassen. Ein Heer von Müllrobotern des Typs WALL·E wurde zurückgelassen, um aufzuräumen. Eigentlich war für diese Aktion ein Zeitraum von fünf Jahren angesetzt, doch im Jahre 2805, nach 700 Jahren des Müllsammelns und der Müllverarbeitung, ist der Protagonist WALL·E der einzige noch funktionsfähige dieser Aufräumroboter und die Erde noch immer eine desolate Müllhalde. WALL·E hat über die Jahrhunderte eine Weiterentwicklung durchlaufen und ein eigenes Bewusstsein entwickelt; dies geht so weit, dass er Ersatzteile für sich selbst sucht und besondere Gegenstände, die sein Interesse erwecken, in seine Privatsammlung aufnimmt. Sein einziger Freund ist eine Kakerlake. Von einer Kopie des Filmes Hello, Dolly! lernt er, dass es die Bestimmung aller hochentwickelten Lebewesen ist, sich zu verlieben.
Eines Tages findet WALL·E in einem versteckten Winkel ein kleines Pflänzchen und nimmt dieses in seine Sammlung auf. Bald darauf landet ein Raumtransporter auf der Erde und setzt den Roboter EVE (Extraterrestrial Vegetation Evaluator) aus. WALL·E verliebt sich in EVE, die jedoch zunächst kein Interesse an ihm zeigt. Sie hat den Auftrag, auf der Erde nach photosynthesefähigem, organischem Leben zu suchen. Sie spürt dieses auch auf in Form des Pflänzchens, das WALL·E entdeckt hat. Nachdem sie die Pflanze gefunden hat, stellt sie sie in ein Fach in ihrem Inneren, deaktiviert sich und wird kurz darauf vom Raumtransporter abgeholt. WALL·E klammert sich an die Außenhülle des Schiffs und gelangt so mit ihr ins Raumschiff Axiom, dessen menschliche Passagiere sich nach 700 Jahren Automatisierung, medialer Dauerberieselung und geringer Gravitation zu fettleibigen, degenerierten Wesen entwickelt haben.
Als der Kapitän des Raumschiffes von EVE die Pflanze in Empfang nehmen will, ist diese verschwunden. Der Autopilot der Axiom, Otto (im englischen Original AUTO), schickt daraufhin EVE zur Reparatur. WALL·E glaubt, EVE werde deaktiviert, und unternimmt einen Rettungsversuch, der allerdings in einem Aufruhr endet. Nachdem der Kapitän inzwischen WALL·Es Herkunft herausgefunden und die Aufzeichnungen über das frühere Leben auf der Erde studiert hat, entscheidet er sich, die Axiom zur Erde zu fliegen. Daran wird er aber von Otto gehindert, der schon lange den Befehl erhalten hatte, nie zur Erde zurückzukehren, da die Wissenschaftler und die Regierung bereits im Jahr 2110, fünf Jahre nach Beginn der Aktion, meinten, die Erde würde nie wieder bewohnbar werden. Aus diesem Grund hat Otto sich auch dazu entschlossen, die Pflanze zu beseitigen, damit sie nicht zum Anlass für die Rückkehr zur Erde wird. Doch WALL·E und EVE gelingt es, die Pflanze zu retten.
Nach einem Kampf mit Otto gelingt es dem Kapitän schließlich, diesen zu deaktivieren. Inzwischen ist es EVE gelungen, die Pflanze in den Holodetector zu setzen, wodurch die Axiom schließlich automatisch den Kurs zur Erde setzt. WALL·E ist jedoch durch den Versuch Ottos, den Holodetector zu deaktivieren, schwer beschädigt worden, und seine letzte Rettung ist die Erde, auf der es die nötigen Ersatzteile gibt.
Auf der Erde angekommen nutzt EVE alle vorhandenen Ersatzteile, um WALL·E zu reparieren. WALL·E befindet sich daraufhin allerdings wieder im „Auslieferungszustand“; seine „Persönlichkeit“ scheint verloren gegangen zu sein. Erst nach einer liebevollen Berührung durch EVE kehren seine Erinnerung und sein entwickeltes Wesen zurück.
Die Menschen beginnen, zusammen mit den Robotern, mit dem Wiederaufbau und der Rekolonialisierung der Erde. Im Abspann sieht man, wie die Erde zu einem Garten wird und sich die Körper der Menschen wieder normalisieren, während WALL·E und EVE ihre weitere Existenz gemeinsam verbringen.