機器人瓦力老了，坐上“力力號”飛船，帶著他的兒子伊力、女兒瓦芙從太空到地球游玩。 伊力和瓦芙第一次離開太空，坐在飛船上雀躍萬分。透過窗子他們想欣賞下課本上所描寫的藍天白云，然而映入眼簾的卻是灰蒙蒙的天空，烏丫丫的云朵。

很快飛船在地球上著陸了。剛拉開機艙門，一股惡臭撲鼻而來，瓦力不禁皺眉看去。地球比一百多年前骯臟多了：半空中飛舞著各種顏色的塑料袋，廢舊的大小家用電器、汽車輪胎到處都是…… 小伊力剛跑了幾步，便被一塊香蕉皮滑倒，大哭起來：“我要回太空！我要回太空！我不要待在這垃圾星球上！”瓦力說：“既然我們來了，就幫幫人類吧！”于是他們發揮自己收集垃圾的特長，開始清理工作。

可是他們干了三天三夜也不見成效，瓦力決定和伊力留下繼續干，派瓦芙回太空搬救兵。 瓦芙請來了機械人家族的得力干將：微生物清潔工“摩歐”、清潔機器人“施爾”、吸塵機器人“維艾姆”和大型垃圾壓縮機器人“瓦拉”等等。他們齊心協力，又干了七天七夜才把地球表面清理干凈。

臨回太空時，瓦力想：我常幫人類清理垃圾也不是個辦法啊！于是他留下了一封信：請你們珍惜資源，尊重自然，維護生態平衡，地球要靠大家保護，才不會成為垃圾星球！