Depois de maltratar o planeta Terra durante séculos, os humanos percebem que aqui não é mais um lugar habitável, por isso decidem partir em um cruzeiro pelo espaço por cinco anos, enquanto alguns robôs limpam a sujeira que eles deixaram. A viagem, no entanto, acaba durando mais do que eles imaginavam. Sete séculos depois, a nave Axiom ainda continua aguardando uma confirmação de que é possível viver na Terra, para que enfim possam voltar.

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Neste tempo, os robôs que cuidavam da limpeza foram se deteriorando, restando apenas um. Wall-E continua seu trabalho, juntando enormes pilhas de lixo enquanto aproveita para colecionar alguns artigos que os humanos deixaram por aqui. O fascínio dele pelos antigos habitantes do planeta é tanto que ele passa a desenvolver algumas das emoções humanas. Assistindo a filmes ou observando o que restou, Wall-E tenta aprender a forma de vida deles. Acompanhado apenas por uma pequena barata, ele também sonha com o dia em que viverá um amor como nos filmes.

Um dia, chega Eva, uma robô exploradora enviada pelos humanos para saber se existe alguma forma de vida na Terra. A paixão de Wall-E por ela é tanta que ele faz de tudo para ficar próximo, mesmo com seu temperamento difícil. Quando Eva parte de volta para Axion, ele não resiste e vai atrás. Na nave, o robô tem uma surpresa ao ver que os humanos são bem diferentes da forma como ele imaginava. Agora, enquanto ele corre atrás de seu verdadeiro amor, Eva vai fazer de tudo para provar a todos que a Terra ainda merece uma chance.

A idéia de Wall-E surgiu no mesmo almoço em que foram criados Vida de Inseto, Monstros S.A. e Procurando Nemo. O filme do robô foi o último a ser desenvolvido pois, ao contrário dos outros, só tinha o personagem, sem uma história desenvolvida. O longa que o robô assiste no videocassete é Alô Dolly, e dentre as músicas usadas na trilha sonora está Aquarela do Brasil, de Ary Barroso.