故事發生在一場毀滅性的太陽耀斑之後。這場耀斑摧毀了地球的臭氧層，地表暴露在致命的紫外線輻射之下，氣溫飆升，超級沙塵暴頻繁肆虐，人類文明幾近崩潰。倖存者們在地下苟延殘喘，為了爭奪食物和物資變得極度危險。
芬奇·溫伯格是一名曾經的機器人工程師，獨自帶著他的狗固特異生活在聖路易斯一座廢棄實驗室的地下掩體中。他擁有食物儲備、太陽能發電設備和大量機械零件，日子雖然孤獨，但勉強過得下去。然而芬奇的身體每況愈下——他因長期暴露在高劑量輻射中患上了嚴重的輻射病，不斷咳血，他的桌上擺滿了關於電離輻射和紫外線暴露的書籍。他清楚地知道，自己的時間所剩無幾。
芬奇最放心不下的不是自己，而是固特異。他之所以對這條狗如此執著，源於一段無法釋懷的創傷記憶：災難初期的混亂中，他親眼目睹一個拾荒者在雜貨店裡射殺了一個小女孩和她的母親，而他因為恐懼沒有出手阻止。事後他在那個女孩的背包裡發現了還是幼犬的固特異。從那以後，保護這條狗成了他某種形式的救贖，也讓他徹底喪失了對人類的信任。
為了確保自己死後固特異仍能得到照顧，芬奇著手建造了一臺人形機器人。在此之前，他已經造過一臺小型輪式輔助機器人，叫杜伊，負責幫忙做些簡單的雜務。而這臺新機器人被灌入了整個網際網路的知識庫，但它醒來時的狀態更像一個剛出生的嬰兒——它知道所有詞彙的定義，卻不理解任何概念的真正含義。這臺機器人後來給自己取名叫傑夫。芬奇給傑夫設定了核心指令：第一，照顧狗；第二，保護狗；第三，絕對不能傷害狗；第四，不許忽視前三條。
就在傑夫剛剛被啟用不久，氣象資料顯示一場持續四十天的超級風暴正在逼近聖路易斯，足以摧毀他們的避難所。芬奇別無選擇，帶上傑夫、杜伊和固特異，登上一輛改裝過的弗利特伍德房車，向西出發，目的地是舊金山——他的父親曾在災前寄來一張明信片，約他在金門大橋見面。
橫跨美國的公路旅程由此展開。傑夫像個笨拙的孩子，第一次開車就把房車開進了溝裡；第一次獨自帶固特異出去，差點把狗弄丟。芬奇耐心地教它駕駛、蒐集物資、修理車輛、判斷天氣，以及最重要的——如何與一條狗相處。然而固特異起初完全不接受傑夫，只信任芬奇，這讓傑夫十分挫敗。
旅途中，傑夫的意識在飛速成長。它開始體驗到類似情感的東西：在暴風雨中學會了恐懼，在一座廢棄的小鎮裡學會了好奇，甚至開始做夢。它們經過一座廢棄的電影院，傑夫在那裡感受到了人類曾經的文化生活。然而意外也隨之發生——傑夫一次出於好意的行動意外導致了小機器人杜伊的損毀，這讓傑夫第一次體會到失去的痛苦。
隨著芬奇的身體越來越虛弱，他終於向傑夫講述了自己的過去——那段在雜貨店目睹殺戮卻無力阻止的經歷。他用這段往事解釋了為什麼自己不再信任人類，為什麼寧可造一臺機器人也不願去尋找其他倖存者。他告訴傑夫，他信任的只有固特異，而現在，他也希望自己能夠信任傑夫。這段對話讓傑夫第一次真正理解了”信任”不只是一條程式指令，而是需要用行動去贏得的東西。
旅途接近尾聲時，車載儀表盤上的紫外線監測儀顯示輻射水平正在下降，窗外甚至出現了蝴蝶——這個在末日世界中幾乎不可能的景象，暗示地球正在緩慢恢復。芬奇抓住最後的時光，帶著傑夫在戶外教它和固特異玩拋接球。當固特異終於願意從傑夫手中叼回球時，芬奇知道他可以放心了——狗接受了它的新守護者。
那天晚上，芬奇在房車裡安靜地離開了人世。傑夫按照芬奇生前的心願，為他舉行了一場維京式的葬禮——芬奇曾告訴傑夫，他的母親說他的名字意味著”維京血統”。傑夫將芬奇的遺體裹上床單，放在柴堆上點燃，火焰在荒原上升起。
葬禮之後，傑夫給固特異餵了食物，修好了房車，繼續向西行駛。它已經不再是出發時那個手忙腳亂的新生機器人了——它學會了開車、覓食、判斷天氣、照顧狗，更重要的是，它學會了愛與珍惜。
最終，傑夫和固特異抵達了舊金山的金門大橋。大橋上長滿了植被，這是芬奇曾認為不可能的景象，證明世界確實在復甦。橋上貼滿了倖存者們尋找親人的留言。傑夫將芬奇的那張明信片貼在橋上——上面畫著他們三個的畫像：一個人、一條狗、一臺機器人。然後傑夫轉向固特異，問它要不要去找找那些留下訊息的人。兩個身影走下大橋，走向一個雖然滿目瘡痍但正在重生的世界。
這部電影不追求末日視覺奇觀，它的末日設定只是一個殼，核心是一個關於”如何在離開之前把愛交付出去”的故事。芬奇用生命最後的時光，把自己對固特異的愛，完整地傳遞給了一臺機器人。而傑夫從一堆金屬零件成長為一個懂得愛、懂得信任、懂得珍惜的存在，本身就是芬奇留給這個世界最後的禮物。