En 2020, los humanos han sido sustituidos por robots en el boxeo. Charlie Kenton (Hugh Jackman) es un exboxeador que posee un robot, llamado Ambush, que, por su destrucción a instancias del promotor de Ricky (Kevin Durand), incurre en una deuda. Poco después, Charlie se entera de que su exnovia ha muerto y que tenía que asistir a una audiencia para decidir el destino de su hijo Max (Dakota Goyo). La tía de Max Debra (Hope Davis) y su tío Marvin (James Rebhorn) solicitan la custodia total, lo que Charlie reconoce bajo la condición de que Max se quede con él durante tres meses. Momentos después de la adquisición de Max, Charlie compra a Noisy Boy, un robot de combate de segunda mano, y lo pierde en una pelea con el campeón local Midas. Cuando trata de recoger piezas desechados para construir un segundo robot, Charlie y Max descubren a Atom, un robot diseñado para entrenamiento. A instancias de Max, los dos protagonistas llevan a Atom a una pelea no autorizada al aire libre frente a un robot llamado Metro, al que supera Atom. Para mejorar el rendimiento de Atom, Max convence a Charlie de entrenar al robot a través de sus poderes innatos de la mímica, lo que produce una serie de victorias que culminaron en la conquista de «Twin Cities», campeón de secundaria. Aprovechando la notoriedad de Atom, Max desafía globalmente al campeón Zeus, con lo cual son atacados y robados por Ricky y sus hombres. Charlie devuelve a Max a su tía y su tío, pero luego lo recupera para presenciar el enfrentamiento de Zeus y Atom. Durante la lucha, los receptores vocales de Atom se dañan, y Atom pelea imitando a Charlie. Como resultado, Atom supera a su oponente (provocando el júbilo en el público), pero los jueces declaran el ganador a Zeus por causa de un mayor número de golpes. Mientras tanto, Atom recibe el título extraoficial de «Campeón del Pueblo