Real steel bercerita pada tahun 2020, saat itu petinju manusia digantikan oleh robot. Charlie kenton adalah seorang mantan petinju, ia memiliki sebuah robot bernama ambush. Ambush kalah dalam sebuah pertandingan melawan seekor sapi jantan yang dimiliki oleh promotor ricky. Ricky memandang rendah charlie karena ia mengalahkannya saat terakhir kali mereka bertanding tinju. Ia bertaruh untuk kemenangan ambush, sekarang charlie memiliki utang pada ricky yang harus dibayar.
Charlie juga berhadapan dengan masalah pengasuhan anaknya max, setelah mantan kekasihnya meninggal. Bibi dari anaknya menginginkan pengasuhan penuh pada max. Charlie kemudian dapat memelihara max selama tiga bulan setelah mendapatkan uang dari suami bibi max yang kaya raya. Bersama max dan bailey tallet, charlie mendapatkan robot “noisy boy”. Tapi charlie tak sempat melatihnya dengan benar dan terlalu cepat membawanya untuk bertanding. Robot itu kemudian dihancurkan oleh “midas”. Selain kehilangan robotnya charlie juga harus kehilangan uangnya.
Max kemudian menemukan “atom”, robot yang didesain untuk bertahan dari kerusakan berat dan dapat menirukan pergerakan tangan. Max melihatnya sebagai robot yang luar biasa. Ia membujuk charlie untuk mengajari robot tersebut bertinju. Charlie kemudian mulai melatih atom dan bahkan mulai menjalin hubungan pertemanan dengannya.
Atas perintah max, charlie kemudian memainkan atom dalam pertandingan melawan “metro”. Max mempercayakan charlie untuk mengontrol atom dan akhirnya menghasilkan beberapa kemenangan dan mampu mengalahkan pemenang nasional, “twin cities”. Senang dengan hasil tersebut, max kemudian menantang pemenang global “zeus”. Setelah pertandingan, ricky dan anak buahnya menyerang dan merampok charlie, menyebabkan ia harus mengembalikan max pada debra, bibinya.
Dibujuk oleh bailey, charlie mengatur sebuah pertandingan untuk atom. Charlie kemudian meminta debra untuk mengizinkan max menyaksikan pertandingan tersebut. Ricky bertaruh sebanyak $100,000 untuk pertandingan tersebut. Atom mengalami kekalahan, ia juga mengalami kerusakan sehingga kontrol dengan suara tidak bisa dilakukan. Zeus kemudian dinyatakan sebagai pemenanganya oleh juri. Namun, tim zeus akhirnya dipermalukan dan atom diberi label sebagai “people’s champion. ”
