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En 2020, los boxeadores humanos son reemplazados por robots. Charlie Kenton (Hugh Jackman), un exboxeador, es propietario de «Ambush», pero lo pierde en una pelea arreglada contra un toro perteneciente al promotor y propietario de carnaval, Ricky (Kevin Durand), que ve a Charlie como una broma, en parte debido a que venció a Charlie la última vez que compitieron en el ring. Después de haber apostado que Ambush ganaría, Charlie ahora tiene una deuda con Ricky.

Después de la pelea, Charlie se entera de que su exnovia murió y tiene que asistir a una audiencia para decidir el futuro de su hijo, Max (Dakota Goyo). Allí, la tía de Max, Debra (Hope Davis), y su marido rico, Marvin (James Rebhorn), solicitan la custodia total, que Charlie concede por $100.000; la mitad de antemano, a condición de que Charlie conserve a Max durante tres meses. Entonces, Charlie y Max, y Bailey Tallet (Evangeline Lilly), la hija del exentrenador de boxeo de Charlie, adquieren el otrora famoso «Noisy Boy» y organizan una pelea, pero es destruido por «Midas». En un intento de recoger partes para un nuevo robot de un depósito de chatarra, Max descubre a «Atom», un robot de combate obsoleto pero intacta diseñado para resistir daños severos, y capaz de reflejar el movimiento de su manejador.

A instancias de Max, Charlie enfrenta a Atom contra «Metro», a quien Atom supera. Max convence a Charlie de controlar a Atom, lo que resulta en una serie de victorias y que culmina con la derrota del campeón nacional, «Twin Cities». Eufórico por su éxito, Max desafía al campeón mundial, «Zeus». Después de la pelea, Ricky y sus dos secuaces atacan y roban a Charlie de sus ganancias, lo que le impulsa a devolver a Max a Debra. Persuadido por Bailey, Charlie organiza el desafío ofrecido por Max y convence a Debra de permitir a Max presenciar la pelea. Ricky apuesta $100.000 a que Atom no va a durar la primera ronda contra Zeus, pero pierde y es acorralado por los corredores de apuestas de la lucha. En la penúltima ronda, los controles vocales de Atom se dañan, por lo cual Charlie guía al robot a través de su movimiento para debilitar y abrumar a Zeus, pero es incapaz de ganar en el tiempo asignado. Zeus es declarado ganador por número de golpes infligidos pero la casi derrota deja al equipo de Zeus humillado, y Atom es apodado el «campeón del pueblo