In einer alternativen, retro-futuristischen Welt der 1990er-Jahre wurden einst friedliche Cartoon-Roboter nach einem Aufstand ins Exil verbannt, in das sogenannte „Electric State“. In dieser Umgebung lebt die Teenagerin Michelle (Millie Bobby Brown) völlig isoliert. Ihre Eltern sind verstorben, und auch ihr jüngerer Bruder Christopher gilt seit einigen Jahren als tot – oder zumindest denkt Michelle das. Eines Tages erhält sie jedoch Besuch von einem Roboter namens Cosmo (Stimme: Alan Tudyk). Dieses charmante und zugleich geheimnisvolle Wesen scheint von Christopher (Woody Norman) gesteuert und zu ihr geschickt worden zu sein. Aber aus welchem Grund?Um die Wahrheit herauszufinden und Christopher zu finden, begibt sich Michelle auf eine abenteuerliche Reise durch den Südwesten der USA. Auf ihrem Weg trifft sie den Schmuggler Keats (Chris Pratt) und seinen robotischen Begleiter Herman (Stimme: Anthony Mackie). Gemeinsam dringen sie in die abgelegene Wüstenregion des „Electric State“ vor. Dort begegnen sie nicht nur neuen animatronischen Verbündeten, sondern stoßen auch auf die düstere Wahrheit hinter dem Verschwinden von Christopher.