K, ein Roboter-Detektiv mit einer ausdruckslosen Maske und einem blauschwarzen Stahlkörper, gehört zur neu gegründeten Sonderermittlungseinheit der Metropolitan Police Department. Er ist eine Kampfmaschine, ausgestattet mit mächtigen Waffen und fortschrittlichen wissenschaftlichen Ermittlungsmechanismen, besitzt jedoch eine Denkfähigkeit, die der von Menschen ebenbürtig ist, und unter seiner kalten Fassade eine Sanftheit, die sie übertrifft. K arbeitet mit Shiba zusammen, einem erfahrenen Detektiv, der auf Instinkt und Fußarbeit setzt. Shiba hegt seit dem Tod seiner Frau bei einem durch mechanisches Versagen verursachten Verkehrsunfall ein tiefes Misstrauen gegenüber Maschinen und ist verärgert darüber, mit einem Androiden zusammenzuarbeiten, und erinnert K häufig daran, dass er nur eine Maschine ist.

Die Geschichte beginnt mit einem Mordfall in einem verschlossenen Raum, der für einen Menschen unmöglich erscheint. K identifiziert den Täter als einen anderen Roboter und legt damit das Muster für eine Reihe scheinbar zusammenhangloser Morde fest. Während Shiba und K ermitteln, entdecken sie, dass jeder an den Verbrechen beteiligte Roboter mit einer Schattenorganisation namens R.R.K.K. verbunden ist, kurz für Robot Rental Kabushiki Kaisha, die spezialisierte Roboter gegen Bezahlung an Kriminelle vermietet. Shiba wird misstrauisch, dass K selbst von R.R.K.K. erschaffen und als Spion in die Polizei eingeschleust worden sein könnte. Um seinen Namen reinzuwaschen, führt K Shiba zu seinem Schöpfer, einer mysteriösen Entität namens Mother. Mother weist K zurück, was sein Gefühl der Isolation vertieft.

Im Verlauf der Ermittlungen decken die beiden die Geschichte von Dr. Kirishima auf, einer Koryphäe der Robotik, die sich weigerte, während des Krieges Waffen für das Militär zu entwickeln, zu Tode gefoltert wurde und dann mit seiner Frau verschwand. Es stellt sich heraus, dass Kirishima zwei Kinder hatte, deren Schicksale mit der Verschwörung hinter R.R.K.K. verflochten sind. In der Zwischenzeit trifft K auf eine blinde Frau namens Yuki Kaori, die sein mechanisches Aussehen nicht sehen kann und ihn so akzeptiert, wie er ist. K entwickelt eine zärtliche, nicht programmierte Zuneigung zu ihr, schreibt in seiner Freizeit Gedichte und ringt mit Emotionen, die nie Teil seiner Konstruktion waren. Während der gesamten Erzählung handelt K innerhalb der Grenzen von Asimovs Drei Gesetzen der Robotik, zeigt jedoch zunehmend Verhalten jenseits seiner ursprünglichen Programmierung, knüpft Bindungen und trifft Entscheidungen, die auf ein aufkeimendes Selbstbewusstsein hindeuten. Die Geschichte gipfelt in Ks Konfrontation mit dem wahren Anführer von R.R.K.K. und seinem Kampf, seine maschinelle Natur mit seiner Sehnsucht nach menschlicher Verbindung in Einklang zu bringen.