पूरे 21वीं सदी में, पृथ्वी बाइ एन लार्ज (BnL) नामक बहुत बड़े निगम द्वारा शासित है, सामूहिक उपभोक्तावाद के परिणामस्वरूप 2105 में यह ग्रह कचरे से भर गया। इस समस्या के निदान की कोशिश में BnL ने पृथ्वी की आबादी को पूरी तरह से स्वचालित विलासी स्टारलाइनर्स से खाली करवाया, जबकि WALL-E नामक कचरा कंपैक्टर रोबोट की सेना को इस ग्रह की सफाई के लिए छोड़ दिया गया। यह योजना विफल रही, हालांकि अंतरिक्ष में अनिश्चित काल के लिए मनुष्यत्व बाकी रह गयी। सात सौ साल के बाद, 2805 में दूसरे WALL-E ईकाइयों से अलग केवल एक WALL-E अपने लिए उसके बचे हुए हिस्सों के साथ सक्रिय रहता है। इस इकाई में चेतना विकसित हो जाती है, जैसा कि दिखाया गया है कचरे के पहाड़ों से छिटपुट चीजों को इकट्ठा करने की उसकी विचित्र आदत, एक अकेले तिलचट्टे को पालने, "हैलो डॉली!" के शो धुन को गाना और प्रेम जैसी भावनाओं के बारे में वही करना जो उसे सीखाया गया, बल्कि यह भी सीखाया कि उसे अकेला कैसे रहना है।

एक दिन WALL-E को कचरे के ढेर के बीच में एक छोटा-सा अंकुरित होता पौधा मिल जाता है और वह उसे अपने ट्रांसपोर्ट ट्रक में अपने घर ले जाता है। बाद में, एक अंतरिक्ष यान उतरता है और एक उन्नत जांच के लिए EVE नामक रोबोट को तैनात करता है। WALL-E EVE, जिसे वनस्पति जीवन के संकेत की खोज का निर्देश दिया गया था, के प्रेम में पागल हो जाता है। शुरू में EVE अलग और दुश्मन रही, लेकिन धीरे-धीरे उसमें WALL-E के प्रति भावना पैदा हुई और वह उसे पसंद करने लगी। धूल के तूफान के दौरान, WALL-E EVE को अपने घर ले गया और उसे अपने पेड़ दिखाता है, जिसके कारण उसकी स्वचालित प्रणाली से वह अपने शरीर के भीतर पेड़ को संचित कर लेती है, अपने यान के लिए संकेत दीप को सक्रिय करती है और बंद हो जाती है। WALL-E उसकी पूरी देखभाल करता है, इस उम्मीद में कि वह फिर से सक्रिय होगी, एक निष्क्रिय रोबोट के साथ उसका डेट चलता रहता है। जब EVE का यान उसे लेने के लिए वापस आता है, जैसे ही BnL के ध्वज-यान का जहाजी बेड़ा "एक्सियॉम" के लिए लौटने लगता है WALL-E यान के पेटा को दुस्साहिक रूप से कस कर पकड़ लेता है।

गोदी में EVE को जब यान के ब्रिज में ले जाया जाता है तो WALL-E उसका पीछा करता है। "एक्सियॉम" के जरिए जैसे-जैसे उसकी प्रगति होती रहती है, यह स्पष्ट हो जाता है कि सदियों तक सूक्ष्म गुरुत्वाकर्षण में रहने और यान के स्वचालित प्रणाली पर निर्भर रहने के कारण मानव यात्रियों की हड्डी को गंभीर क्षति पहुंची और वे स्थूलकाय हो गए हैं। कप्तान के लिए कुछ करने को नहीं रह गया था, उसने यान का नियंत्रण इसके स्वचालित रोबोटिक ऑटोपायलट पर छोड़ दिया। EVE को जब ब्रिज में ले जाया गया, कप्तान को पता चला कि पृथ्वी के प्रतीक के रूप में उसके पौधे के नमूने को यान के हॉलो-संसूचक के भीतर रखकर फिर से रहने लायक बनेगा, "एक्सियॉम" सुदूर अंतरिक्ष में जाएगा और पृथ्वी पर वापस लौटकर अपने यात्रियों को इस ग्रह को फिर से आबादी बसाने की अनुमति देगा। बहरहाल, EVE को खोला गया तो पौधा गायब था। माना गया कि उसमें खराबी आ गयी है और उसे रोबोट मरम्मती वार्ड में ले जाया गया। EVE को मरम्मती वार्ड के लिए भेज दिए जाने के बाद कप्तान WALL-E को देखता है और चीख पड़ता है। WALL-E कप्तान से हाथ मिलाता है, कप्तान के हाथ में धूल छोड़ कर वह जताता है कि खतरे की कोई बात नहीं है। तब कप्तान WALL-E को EVE के साथ सफाई के लिए भेज देता है। कप्तान अपने कंप्यूटर पर धूल का विश्लेषण करता है। तब धूल में "बाहरी संदूषित पदार्थ", धूल, कीचड़ और मिट्टी का पता चलता है जैसे ही मिट्टी का पता चलता है, कप्तान अपने गृह ग्रह पर शोध करने लगता है।

मरम्मती वार्ड में, EVE की यंत्रणा के लिए निरीक्षण में WALL-E गलती कर देता है और उसे आजाद करने की कोशिश में उसे तोड़ने लगता है, लेकिन उसकी फूहड़ता इस पूरी गड़बड़ी का एकमात्र कारण है और दुर्घटनावश वह एक खराब रोबोट के झुंड को यान में घूमने के लिए छोड़ देता है; इसका नतीजा यह हुआ कि यान की सुरक्षा के लिए उसे नियुक्त किया गया और EVE को "नटखट रोबोट" मान लिया गया। WALL-E की अशांतिकारक कार्रवाई से नाराज होकर तथा पौधे को उसने चुराया या खो दिया ऐसा मान कर, EVE एस्केप पॉड के जरिए उसे वापस पृथ्वी में भेजने का प्रयास करती है। बहरहाल, उनलोगों ने देखा कि ऑटो के सहयोगी GO-4 ने गायब हुए पौधे को अपने पॉड में योजनाबद्ध स्वत:-विनाश के लिए जमा रख लिया है, उसे WALL-E के भीतर प्रक्षेपित किया गया, हालांकि WALL-E पौधे को नुकसान पहुंचाये बगैर वहां से निकलने में सफल हो गया। इससे खुश होकर EVE उसका शुक्रिया अदा करने के लिए बिजली कड़कने के जैसे रूप में उसे चूम लेती है और कप्तान को पौधा लौटाने से पहले पूरे अंतरिक्ष में "एक्सियॉम" के आसपास दोनों रोबोट खुशियां मनाते हैं।

कप्तान EVE के तबाह हुई पृथ्वी के दृश्य रिकॉर्ड की समीक्षा करता है और ग्रह को पहले जैसा कर देने के लिए वापस लौटने की कसमें खाता है। EVE भी अपना सुरक्षा रिकॉर्ड देखती है कि उसके बंद हो जाने के बाद WALL-E पृथ्वी के कठिन वातावरण से नि:स्वार्थ भाव से उसकी रक्षा करता है; वह WALL-E के प्रेम से इतनी प्रभावित होती है कि उसे एहसास होता है कि वह फिर से उससे प्रेम करने लगती है।

इससे पहले कि कप्तान होलो-संसूचक को सक्रिय करता, ऑटो बतलाता है कि उसे अंतरिक्ष में मनुष्यता को बचाए रखने का अंतिम निर्देश दिया गया था, क्योंकि उस समय पृथ्वी को निवास के अयोग्य मान लिया गया था तभी उसे निर्देश दिया गया था। जब कप्तान अपना निर्देश उसे पृथ्वी वापस लौटने के लिए देता है तो ऑटो बगावत करते हुए कप्तान को उसके क्वार्टर में बंद कर WALL-E को बिजली का झटका देकर EVE और पौधे के साथ कचरे की प्रवणिका में भेज देता है।

मरणासन्न WALL-E के साथ EVE को अहसास होता है कि केवल एक हिस्सा उपलब्ध है जो पृथ्वी में उसकी रक्षा कर सकता है, इसीलिए WALL-E और EVE कचरा डिपो से भाग कर M-O और खराब रोबोटों की मदद से पौधे को होलो-संसूचक में रखकर पृथ्वी में वापस जाने के लिए यान के हाइपरजंप सक्रिय कर देते हैं। कप्तान अपने क्वार्टर की कैद से अपने आपको मुक्त कर लेता है और ऑटो से लड़ते हुए होलो संसूचक को खोलता है, कप्तान द्वारा इसे निष्क्रिय करने से पहले ऑटो ने इससे WALL-E को कुचल कर मार डालने के लिए बंद कर दिया था, क्योंकि उसे खुला रखने की कोशिश करता है।

WALL-E को मुक्त करके EVE पौधे को होलो-संसूचक में रख देती है और यान को पृथ्वी में वापस भेज कर WALL-E की बॉडी को मरम्मत के लिए उसके घर ले जाती है। EVE सफलतापूर्वक उसे फिर से सक्रिय कर देती है, लेकिन दुर्भाग्यवश WALL-E की स्मरण-शक्ति और व्यक्तित्व मिट चुकी होती है क्योंकि वह फिर से कचरा जमा करने के अपने मूल काम में लग जाता है। मायूस EVE ने उसका हाथ अपने हाथों में लिया और उसे एक चुंबन दिया, जिससे उसे एक ऐसा झटका लगा कि अप्रत्याशित रूप से वह अपने सामान्य रूप में वापस आ गया, दोनों रोबोट खुश होकर फिर से मिल जाते हैं। WALL-E और EVE मानव और रोबोट को फिर से जोड़ते हैं और पृथ्वी को उसकी पूर्व स्थिति में लौटा लाने के लिए एकसाथ मिलकर काम करने लगते हैं और उन्हें वापस उनके घर लाने वाले अंकुरण को रोपने के लिए उसकी देखभाल करते हैं।

आभार जताने के दौरान, पृथ्वी को फिर से हराभरा दिखाने के लिए कला के विभिन्न रूपों का इस्तेमाल किया जाता है, जिसकी शुरूआत मिस्र के गुफा चित्रकारी हाइरोग्लिफिक्स और यूनानी सुराही से द विंची के रेखाचित्रों तक और अंत में प्रभाववाद से होती है। कला से पता चलता है कि घास, पौधों और जानवरों से पूरी तरह हरे-भरे विश्व के रूप में शहर का पुनर्निर्माण हो रहा है। मनुष्य भी अपने वास्तविक शारीरिक संरचना में लौट लाये हैं। अंतिम दृश्य में फिल्म में दिखाया जाता है कि WALL-E और EVE एक पेड़ के पास खड़े हैं, यह वही पेड़ है जिसने पृथ्वी को फिर से बसाना शुरू किया था।


संगीत
ध्वनि
निर्माण
कथानक