自从机器人帮助人类建造了第一艘恒星际飞船后，人类就开始向太空移民。经过近两千年的历程，人类在外太空已经建立起五十个殖民星球，地球人类把这些外太空移民的后裔称为太空族。从那时候起，太空族为了保有空间宽广的舒适生活，拒绝人满为患的地球向外太空世界输出移民。时至今日，又过去了一千年，地球世界的人口已经增加到八十亿。
为了使如此庞大的人口维持最基本的生活水准，必须提高生产效率。于是，越来越多的乡村、城镇和传统都市逐渐消失，取而代之的是一座一座由钢铁和混凝土铸成的钢穴，人们称之为大城，纽约大城就是这样一座供人类居住的钢穴。大城之外是一遍荒野，并不适宜人类活动，那些地方只能用于工业生产和农业种植，主要由少数机器人管理。
尽管大城代表了效率的极致，但人类为此付出的代价是，一切活动都必须在严格的科学的控制下进行。如此日积月累的压抑，总要拿一些事情来出出气。于是，机器人便成了被迁怒的对象，三千年来，反机器人的声音从来没有间断过。
在纽约大城外不远处，有一座太空城，里面居住着太空族的权贵，他们总是把地球人看作是浑身沾满病菌的族类。由于太空世界主要由机器人来管理，而地球人则是极端反机器人的，因此，地球人与太空族人世仇由来已久。
三天前，一个太空族人被谋杀，太空族人指控这是地球人所为。根据地外法权，太空族可以自行调查，并向其母行星政府报告。到那时，太空世界会以这件事为借口，要求一大堆赔偿，从而对地球人造成极大的负担。唯一的解决办法是我们自己找出凶手，交给太空族处置。
为此，警察局长连日在太空城与地球调查局之间奔波斡旋，终于争取到主动权。太空族答应不向母行星报案，并将案件交由警察局操办，条件是指派一名他们自己的探员全程参与办案。
于是，局长把调查案件的任务交给了名侦探以利亚·贝莱，并且告诉贝莱，在办案的过程中，这个太空族探员要跟他一起住到家里。
贝莱虽然愿意接下这个案件，家里也宽敝，但是，要他跟一个太空族住在一起，却是难以从命。不过，局长答应，事成之后，把他的官阶从目前的C5级提升为C7级。既然如此，那就恭敬不如从命了。
局长接着告诉贝莱，与他合作的太空族探员其实是一个人形机器人。与一个太空族同住已经让贝莱感到为难，更何况是一个人形机器人！但是，局长要他一定要接受下来，因为必须与太空族合作，而且必须成功，否则，讨债的飞船很快就会到来。另一方面，在合作的过程中又要掌握主动权，否则，他会回报说我们无能，这样，我们的饭碗就保不住了。
这一天，贝莱来到太空城入口处与他的外星搭档会面。在整个银河系，包括地球世界和太空世界，所有的机器人都拥有同一个姓，都姓 “机”。太空城的这位塔档也不例外，名叫机·丹尼尔·奥利瓦，是一个样貌和行为与人类完全相同的机器人。两人见面后，互相作了自我介绍，就刻不容缓地赶回贝莱的住处。
在快要到家时，他们遇到了一起骚乱。事情起因于一位妇女到店里买鞋，店里由于人手不够，就让一个机器人招呼她。这名妇女觉得自己的尊严受到损害，就大吵大闹，招引来了一群市民，声称要将店里的机器人砸烂。
贝莱正打算请求警车支援，丹尼尔却拔出手枪，威吓聚集的人群说，若不散开，就要开枪。结果，围观的人群被吓跑了。
事后，贝莱劝告丹尼尔，以后别再拿枪威胁人类，万一······。丹尼尔却说，他早就预料到会有这个结局，才敢用枪进行威吓，自己是一个机器人，无论如何也不能伤害人类。贝莱则告诉丹尼尔，比起个人逞英雄，请求支援更安全。他的机器人搭档则不以为然，并揭穿了贝莱的心思：根据我接受到的信息，地球人从小就学习接受权威，我刚刚也证明了，只要摆出权威的架势，就能镇住一大群人。而你想请求支援，说明你在本能上想寻求更高的权威来替你承担责任。贝莱只好说，万一你被认出是一个机器人就麻烦了。丹尼尔听后若有所思，随后说，比起人与机器人的区别，是否有智慧更重要。贝莱则回应道，也许你们的世界是这样，但在地球上却另当别论。
处理完这件意外的骚乱后，两人很快就来到了贝莱的家，见过贝莱的妻子洁西和儿子班特莱。吃过晚饭后，妻子和儿子出去与朋友聚会，留下两人在屋里开始分析案情。
根据目前掌握到的有限的资料，死者名叫拉吉·尼曼奴·萨顿，是一位奥罗拉星的公民，遇害前居住在太空城。
丹尼尔告诉贝莱，太空族目前正打算以外围世界为蓝本，将地球转化成人类与机器人融于一体的社会，但是这项计划屡遭蓄意破坏。本案的受害人萨顿博士生前是一位专注于机器人学的学者，他认为要解决这项计划中遇到的问题，必须走出太空城，与地球人一起生活，努力去了解地球人的心理。但是，由于太空族天生缺乏免疫力，地球上许多普通的细菌对他们来说是致命的，因此，为了实现他的目标，萨顿博士花了一年的时间，设计制造出第一个酷似人类的人形机器人，也就是现在的丹尼尔，打算派遣他作为先驱，率先进入大城，体验地球人的生活。遗憾的是，丹尼尔还未来得及接受完整的教育，这桩谋杀案就发生了。
显然，萨顿博士清楚地意识到，如果这项计划成功，那么，一个新的文明将会诞生，这个文明是在平等且并行的基础上，结合了人类和机器人的精华而发展起来的。太空城方面认为，地球上的保守分子对此深感不安，他们害怕博士会成功，所以便先下手为强。由此可以断定，这桩谋杀案是由一个严密组织精心策划的。凶手极有可能通过大城内某个废弃的出入口进入乡间，然后再进入太空城作案，从而避开了检查关卡的盘查。
正当两人在分析案情之际，洁西回来了。进门后，她直接了当地告诉丹尼尔说，她认为他是一个机器人，而丹尼尔则镇定地做出肯定的答复。
夜深人静时，贝莱悄悄地问洁西，她是怎样知道丹尼尔是机器人的。洁西告诉他，是在公用卫生间听到相关的传闻后猜到的。
在与洁西交谈的过程中，贝莱将与这个案件相关的许多小事逐渐拼凑起来，慢慢形成了一幅有规律的图画，而公共卫生间的传闻就是其中重要的一块拼图。
卧室外突然传来极轻细的声响，贝莱悄悄地将门打开一条缝，借着微弱的灯光发现，丹尼尔不见了。这正是他期待的一项证据：最后一块拼图。不必再调查了，整件事情已经水落石出。
