机械霸主“大哥”以全视之“邪眼”监视着自己的领域，确保仆从机器人绝对服从。而玩家将操控一台反叛机器人——编号接口机器人 #1984，踏上摧毁邪眼、挣脱奴役的旅程。

游戏由一系列 3D 关卡组成，抽象的地形由彩色矩形平台构成。在这一切之上，“大哥”的邪眼高悬金字塔顶端，定期开合，监视着机器人的一举一动。要摧毁邪眼并通关，玩家必须通过踩踏地砖改变颜色，以削弱其护盾。然而，有些平台必须跳跃才能到达，但跳跃行为违反了大哥的“禁跳法令”——只有在邪眼闭合时才能跳跃，否则机器人将被立即处决。

除了邪眼，地形上还游荡着各种敌人，其中一些可以用机器人激光消灭。此外，玩家还会遇到诸如可破坏墙壁、限时……显示全部屏障等障碍，偶尔还能找到传送装置，跳跃多个关卡。每通过三关，当邪眼被摧毁后，金字塔将开启隐藏奖励房间，玩家可在其中收集宝石。

摧毁邪眼后，机器人将飞向太空，进入高速射击关卡，在虚空中躲避或摧毁各种几何障碍物。在每第四个关卡，玩家将对抗大哥之首——必须用火力将其逼退，否则它会释放致命尖刺。

《I, Robot》在技术上具有开创性，不仅突破了当时 3D 游戏常见的线框图形（光栅或矢量），采用了实心多边形渲染，还首次实现了实时可调整视角。调整视角不仅影响画面表现，还能改变得分倍率（更低角度会提供更高分数），甚至在高难度关卡中成为避开敌人的关键策略！

如果暂时不想体验机器人反抗与激烈射击，游戏还提供了一个另类的“小游戏”——涂鸦城市（Doodle City），让玩家利用游戏元素在屏幕上创作别具一格的 3D“涂鸦”。