Le recueil assemble neuf histoires d'époques différentes, regroupées par un récit-cadre : au XXIe siècle, Susan Calvin, robopsychologue, évoque pour un journaliste sa carrière et les cas qui l'ont marquée. Chaque nouvelle fonctionne comme une énigme : un robot se comporte de façon étrange, et les ingénieurs doivent comprendre pourquoi, en examinant l'interaction entre les trois lois.
Ces lois, simples dans leur énoncé, interdisent de nuire à un humain, imposent d'obéir aux ordres et de se protéger, dans cet ordre de priorité. Asimov joue de leurs contradictions pour construire des intrigues. Le recueil suit une progression, des robots domestiques à des machines gérant l'économie mondiale, qui donne à l'ensemble une unité d'histoire.
À sa parution, le recueil est accueilli favorablement : des critiques contemporains le jugent d'un intérêt constant.
Les trois lois sont entrées dans la culture générale : le Saturday Evening Post a affirmé qu'elles avaient révolutionné la science-fiction et rendu les robots bien plus intéressants qu'ils ne l'avaient jamais été. Le titre a été repris pour le film I, Robot (2004), qui n'en adapte pas fidèlement le contenu. Le cycle des robots, lui, se prolonge jusqu'en 1985 par d'autres recueils et romans.
Le recueil compte parce qu'il a donné au robot une logique propre, et qu'il a installé durablement l'idée qu'une machine intelligente doit être pensée avec des règles. Que valent ces règles lorsqu'elles se contredisent, ou lorsque la machine les interprète ? Les débats actuels sur l'intelligence artificielle reprennent, souvent sans le savoir, ces questions. Les récits sont courts, ingénieux, d'une lecture facile : c'est une très bonne introduction à Asimov et à la science-fiction classique.