Долгое время Земля пребывала в состоянии экологической катастрофы, лишённая привычного зелёного покрытия и жизненных ресурсов. Когда-то планета была уникальным «зелёным оазисом» среди безжизненных миров, где существование живых организмов казалось невозможным. Однако к настоящему времени она превратилась в огромную свалку, переполненную отходами и загрязнениями, из-за чего условия для жизни стали практически невыносимыми.
Из-за ухудшения экологии и истощения ресурсов человечество было вынуждено покинуть свою родину и отправиться в космос в поисках новых, пригодных для обитания планет. Несмотря на это, судьба Земли остаётся неопределённой — неизвестно, удастся ли когда-нибудь вернуть планету к жизни или людям придётся навсегда жить вдали от неё.
На выжженной и заброшенной планете остались лишь роботизированные устройства, предназначенные для уборки и восстановления окружающей среды. Среди них выделяется ВАЛЛИ — небольшой робот-санитар, запрограммированный собирать мусор и постепенно очищать поверхность Земли. В отличие от других машин, ВАЛЛИ проявляет необычные черты личности: он испытывает эмоции, проявляет внимание и заботу, что делает его уникальным в своём классе.
Судьба меняется с прибытием на Землю другого робота — ЕВА, созданной для исследования жизни вне планеты и поиска биоразлагаемых материалов. Между ВАЛЛИ и ЕВОЙ возникает необычная связь, которая ведёт их к множеству опасных и волнующих приключений. Их история символизирует надежду на возрождение планеты и возможность возвращения к гармоничному сосуществованию человека и природы.
Помимо этого, научные исследования показывают, что хотя восстановление экологии Земли требует огромных усилий и времени, современные технологии и роботы подобные ВАЛЛИ способны постепенно изменять ситуацию. Возобновление биосферы возможно благодаря специализированным системам фильтрации и озеленения, которые могут быть внедрены на территории планеты в будущем. Это даёт надежду, что Земля не утратит полностью своего значения и когда-то вновь станет домом для жизни.
