Akcja opisywanej produkcji opowiada historię tytułowego robocika WALL-E. Jest to skrót od Waste Allocation Load Lifter Earth-Class (Wysypiskowy Automat Likwidująco Lewarujący. E-klasa). Główny bohater został skonstruowany w celu stopniowego oczyszczania powierzchni Ziemi z pozostawionych odpadów. Mieszkańcy globu zmuszeni zostali bowiem do szybkiej ewakuacji. Po spędzeniu siedmiuset lat w samotności mechaniczne życie WALL-E zaczyna nabierać sensu. Na Ziemi pojawia się nowoczesna, myśląca maszyna o imieniu EVE. Tytułowy robot wyrusza z nią w zwariowaną podróż, której jednym z celów jest odnalezienie resztek ziemskiej cywilizacji. WALL-E pragnie podzielić się ze swymi twórcami pewnym istotnym odkryciem.

Przedstawione w grze wydarzenia w dużym stopniu pokrywają się z fabułą filmu, do którego scenariusz napisał Andrew Stanton (Toy Story, Potwory i spółka, Gdzie jest Nemo?). Należy też jednak dodać, iż niektóre sceny zostały przygotowane wyłącznie z myślą o nabywcach elektronicznej wersji przygód sympatycznych robotów. W zamierzeniach stanowią one uzupełnienie dla głównego wątku. Podobnie jak w oryginale, historia znajomości WALL-E i EVE przepełniona jest dużą porcją humoru. Główni bohaterowie podczas swojej wędrówki spotykają wiele zabawnie zaprojektowanych postaci, między innymi drużynę dzielnych, lecz wadliwie działających robotów.

W trakcie rozgrywki steruje się WALL-E lub EVE. Jest to uzależnione od specyfiki wybranego przez siebie etapu. W sumie do zbadania jest dziesięć różnorakich światów, rozrzuconych po całej galaktyce. Zabawa w dużym stopniu opiera się na swobodnej eksploracji, zapożyczając jednak pewne elementy typowe dla gier przygodowych oraz platformówek. Sterowane postaci muszą także pokonywać lub unikać napotykanych przeciwników. Oprócz trybu singleplayer można przystępować do multiplayerowych zmagań z udziałem innych graczy, próbując osiągać lepsze rezultaty od pozostałych uczestników zabawy.