机器人瓦力老了，坐上“力力号”飞船，带着他的儿子伊力、女儿瓦芙从太空到地球游玩。 伊力和瓦芙第一次离开太空，坐在飞船上雀跃万分。透过窗子他们想欣赏下课本上所描写的蓝天白云，然而映入眼帘的却是灰蒙蒙的天空，乌丫丫的云朵。
很快飞船在地球上着陆了。刚拉开机舱门，一股恶臭扑鼻而来，瓦力不禁皱眉看去。地球比一百多年前肮脏多了：半空中飞舞着各种颜色的塑料袋，废旧的大小家用电器、汽车轮胎到处都是…… 小伊力刚跑了几步，便被一块香蕉皮滑倒，大哭起来：“我要回太空！我要回太空！我不要待在这垃圾星球上！”瓦力说：“既然我们来了，就帮帮人类吧！”于是他们发挥自己收集垃圾的特长，开始清理工作。
可是他们干了三天三夜也不见成效，瓦力决定和伊力留下继续干，派瓦芙回太空搬救兵。 瓦芙请来了机械人家族的得力干将：微生物清洁工“摩欧”、清洁机器人“施尔”、吸尘机器人“维艾姆”和大型垃圾压缩机器人“瓦拉”等等。他们齐心协力，又干了七天七夜才把地球表面清理干净。
临回太空时，瓦力想：我常帮人类清理垃圾也不是个办法啊！于是他留下了一封信：请你们珍惜资源，尊重自然，维护生态平衡，地球要靠大家保护，才不会成为垃圾星球！