Die Geschichte beginnt damit, dass WALL-E mit seiner Hand durch die Ringe des Saturn fährt, während er sich an der Seite von EVE's Raumschiff festhält. Einer der Steinpartikel, welche dadurch herumwirbeln, beginnt sich, immer größer und immer schneller werdend, auf die Atmosphäre des Mars zu bewegen, wodurch er einen weiteren Geschwindigkeitsschub erhält und schließlich als Meteor eine kleine Lampe außerhalb des Mutterschiffs Axiom zerstört. Ein Reparaturroboter namens BURN-E erhält daraufhin von dem Versorgungsroboter SUPPLY-R eine Ersatzlampe und wird beauftragt, die kaputte zu ersetzen. Bevor er allerdings die neue Lampe befestigen kann, landet EVE's Schiff am Axiom. Der sich immer noch an der Seite des Raumschiffes festhaltende WALL-E winkt BURN-E zu, welcher sofort zurück winkt. Dadurch wird der Reparaturroboter allerdings von seiner Arbeit abgelenkt und die noch lose Lampe fliegt in den Weltraum.

Nach dem Erhalten einer Ersatzlampe von SUPPLY-R fängt BURN-E zum zweiten Mal damit an, diese an ihrem Platz zu befestigen. Währenddessen beobachten WALL-E und EVE innerhalb des Axioms wie der Sicherheitsroboter GO-4 die Pflanze von der Erde in eine Rettungskapsel legt und diese auf „Selbstzerstörung“ einstellt. Als WALL-E die Kapsel betritt und versucht, die Pflanze aus der Kapsel herauszuholen, wird diese mitsamt dem Roboter von GO-4 abgeschossen und fliegt, verfolgt von EVE in den Weltraum. Wenige Sekunden später explodiert die Kapsel. BURN-E, der immer noch mit der Befestigung der Lampe beschäftigt ist, erschrickt und dreht sich um, um zu sehen, was passiert war. Dadurch schneidet er versehentlich mit seinem Schweißgerät die schon halb montierte Lampe von ihrer Halterung ab. Ein weiteres Mal geht BURN-E zu SUPPLY-R, um eine neue Lampe zu holen. Verärgert gibt der Versorgungsroboter BURN-E die letzte Lampe aus dem Bestand und letztendlich schafft dieser es, die Leuchte erfolgreich zu installieren. Zur selben Zeit tanzt WALL-E, welcher die Explosion überlebt hat, zusammen mit EVE durch das All. Die beiden gelangen wieder durch den einzigen vorhandenen Eingang in das Raumschiff, nahe BURN-E, wobei sie ihn versehentlich aussperren.

Nachdem BURN-E eine Zeit lang hilflos ausgeschlossen war, stehen WALL-E und EVE kurz davor, durch eine Müll-Luftschleuse in das Weltall hinausgestoßen zu werden. Als BURN-E die offene Luftschleuse sieht, versucht er sofort, in das Raumschiff zu gelangen. Kurz bevor er die Öffnung erreicht, drückt jedoch ein WALL-A-Roboter einen Knopf, wodurch der Eingang direkt vor BURN-E verschlossen wird. BURN-E hat inzwischen jegliche Hoffnung aufgegeben und beginnt, mit seinem Schweißgerät herumzuspielen, als er die Idee hat, mit diesem ein Loch in die Tür zu brennen. Nachdem ihm dies gelungen ist, kehrt er zu SUPPLY-R zurück, um die neue Lampe anzuschalten. Während er dies versucht, geraten der Kapitän des Axioms und der Schiffscomputer Otto in einen Kampf, bei welchem das Raumschiff so stark in Schieflage gerät, dass BURN-E wieder nach draußen geschleudert wird und die Lampe weiterhin ausgeschaltet bleibt. Kurz darauf schafft es der Kapitän, Otto zu deaktivieren und das Schiff wieder gerade auszurichten, welches dann bei maximaler Geschwindigkeit in den Hyperraum verschwindet. Durch die plötzliche Beschleunigung wird BURN-E gegen eine Schiffswand gedrückt, von welcher er sich erst wieder lösen kann, als das Raumschiff auf der Erde landet.

Nach der erfolgreichen Landung geht BURN-E zurück in das Innere des Raumfahrzeugs und sieht, dass dieses nun komplett verlassen ist. Seine Suche nach SUPPLY-R führt ihn in eine Rettungskapsel, von wo aus er den Roboter auf dem Planeten sieht. BURN-E winkt ihm vom Inneren der Kapsel zu, wodurch er diese versehentlich startet und auf den Erdboden in der Nähe von SUPPLY-R aufprallt. BURN-E sprengt die Einstiegsluke der Rettungskapsel ab, fährt zu dem Versorgungsroboter und schafft es schlussendlich, die Lampe wieder zum Leuchten zu bringen. Die Freude über seine erfolgreiche Arbeit währt jedoch nicht lange, denn dieselbe Lampe wird nur Sekunden später von der eben abgesprengten Luke der Rettungskapsel getroffen und ist wieder zerstört. Der Reparaturroboter fällt nach der erneuten Notwendigkeit einer Reparatur in Ohnmacht. Nach den Credits versucht SUPPLY-R, den angeschlagenen BURN-E durch leichtes Tätscheln auf den Kopf zu trösten.