世界各地の鋼鉄のドーム都市の中で80億の人々がひしめき合う地球は、かつて宇宙へ植民した人々の子孫であり強大な軍事力とロボットによる豊かな経済を誇るスペーサー（宇宙人）の事実上の支配下にあった。 ニューヨーク市警の刑事イライジャ・ベイリは、友人でもある総監エンタービイからある事件の捜査を命じられる。その事件とは、スペーサーの地球駐在施設スペース・タウン内部において、スペーサーの科学者ロイ・ネメヌウ・サートン博士が恐らく外部の者（つまり地球人）により殺害されたという物であり、捜査の結果如何では地球の運命を左右しかねない重大な事件であった。 捜査を地球側に委ねる交換条件としてスペーサーが提示したのは、スペーサー製のロボットを捜査に加える事だった。件のロボット、R・ダニール・オリヴォーと会見したベイリは、ダニールが全く人間そっくりに、製造者のサートン博士そっくりに造られたヒューマンフォーム・ロボットである事に驚く。 ロボットなら野外を出歩くことは無論可能だが、ロボット工学三原則に縛られたロボットに殺人を犯せる訳が無い…。 時にはスペーサー側の陰謀やダニールをも疑いながら困難な捜査を進め、その過程で地球人類の未来へと想いを馳せるベイリ。しかしベイリの妻ジェシイが反スペーサー組織のシンパだという秘密が明かされ、さらに警察署内にて第二の事件が発生、濡れ衣を着せられたベイリは窮地に到る。