Robot Dreams membuka kisahnya di Manhattan tahun 1985, mengikuti kehidupan Dog Varon, seekor anjing Labrador antropomorfik yang hidup sendirian, bersama Robot, teman mekanis yang ia rakit sendiri. Robot Dreams langsung mengajak kita masuk ke dunia penuh warna lewat persahabatan sederhana antara Dog dan Robot, dua karakter utama yang menjadi pusat emosi cerita sejak awal. Tanpa banyak dialog, film animasi ini mengandalkan visual, musik, dan gestur untuk menyampaikan rasa sepi, bahagia, hingga kehilangan.

Dog digambarkan sebagai sosok yang kesepian dan menjalani rutinitas monoton di apartemennya. Suatu hari, sebuah iklan televisi mengubah hidupnya. Dog memesan sebuah robot yang dirakit sendiri setibanya di rumah. Sejak saat itu, Robot menjadi teman setia Dog untuk menjelajahi Manhattan. Kita diajak menyusuri kota lewat momen-momen ringan, seperti bermain sepatu roda di Central Park dengan iringan lagu September dari Earth, Wind & Fire. Musim panas pun terasa hangat karena keduanya nyaris tak terpisahkan.

Robot Dreams kemudian membawa cerita ke titik balik saat musim panas berakhir. Dog mengajak Robot ke pantai untuk menikmati hari panjang bermain air. Kelelahan membuat mereka tertidur hingga pantai sepi. Ketika terbangun, Dog menyadari Robot berkarat karena air laut dan tidak bisa bergerak. Dengan berat hati, Dog terpaksa pulang sendirian malam itu. Keesokan harinya, Dog kembali membawa peralatan perbaikan, tetapi pantai sudah ditutup dan baru akan dibuka lagi pada 1 Juni tahun berikutnya.

Ketidakberdayaan Dog terasa nyata ketika berbagai upaya masuk ke pantai gagal. Ia akhirnya memilih menunggu, menandai tanggal pembukaan pantai di kulkas sebagai pengingat. Sementara itu, Robot yang tertinggal di pantai digambarkan mengalami serangkaian mimpi. Dalam mimpinya, Robot berhasil kembali ke apartemen Dog, hanya untuk terbangun dan kembali pada kenyataan pahit bahwa ia masih terjebak. Kesedihan makin dalam ketika kaki Robot terlepas akibat ulah kelinci, yang memanfaatkannya lalu membuangnya begitu saja.

Di sisi lain, Dog mencoba melanjutkan hidup, tetapi bayangan Robot terus menghantuinya. Upaya Dog untuk berteman dengan yang lain selalu terasa hampa. Nasib Robot semakin tragis ketika seekor monyet menemukan tubuhnya dengan detektor logam, lalu menjualnya ke tempat rongsokan. Pemilik tempat tersebut, seekor buaya dan anaknya, melempar Robot ke tumpukan besi hingga ia hancur dan akhirnya mati total.