Dans l’œuvre d’Asimov apparaissent deux robots particuliers, R. Daneel Olivaw et R. Giskard Reventlov. Par leurs réflexions, ils arrivent à la conclusion que les Trois Lois sont incomplètes, et que les robots doivent aussi considérer la protection de l’humanité dans son ensemble. Ces robots formulent la Loi Zéro de la robotique ainsi :
Les Trois Lois sont donc modifiées ainsi :
Les conséquences de la Loi Zéro sont considérables : elle donne le droit aux robots de s’attaquer à des hommes, si ces hommes mettent l’humanité en danger. C'est justement le thème principal dans le film I, Robot, où l'I.A. VIKI (mémoire centrale de la firme robotique) arrive à la conclusion logique que la plus grande menace pour l'homme est l'homme lui-même et décide d'enfreindre la première loi pour protéger l'humanité.
Les histoires d'Asimov testent ses Lois dans une large variété de circonstances, proposant et rejetant des modifications. Un disciple de la Science Fiction, James Gunn, écrit : « Les histoires de robots d'Asimov dans leur entier répondent de la meilleure manière à une analyse sur cette base : l'ambiguïté dans les Trois Lois et les manières par lesquelles Asimov a joué vingt et unes variations sur le thème » (le nombre est précis depuis 1980). Tandis que l'ensemble des Lois procurait de l'inspiration à beaucoup d'histoires, Asimov introduisait de temps en temps des versions modifiées dans son œuvre. Comme l'exemple suivant le démontre, les Lois servent une fonction conceptuelle analogue au test de Turing, replaçant des questions brouillées comme « Qu'est-ce qui est humain ? » par des problèmes permettant une réflexion plus fructueuse.
Dans Face aux Feux du Soleil, Asimov établit que la première loi était incomplète : il y montre qu'un robot est pleinement capable de blesser un être humain tant qu'il ignore que ses actions entraîneront une telle conséquence. L'exemple suivant est utilisé : un robot met du poison dans un verre de lait, car on lui a dit que le lait sera jeté plus tard ; ensuite, un second robot sert le lait à un homme, ne sachant pas qu'il est empoisonné.
Dans Le Petit Robot perdu, plusieurs robot NS-2 ou « Nestor » sont créés avec seulement une partie de la Première Loi. On lit :
« 1. Un robot ne doit pas blesser un être humain. »
Cette modification est motivée par une difficulté pratique : des robots et des êtres humains travaillent au milieu de radiations fatales aux robots, mais supportables pour les hommes. Or les robots s'acharnent à aller « secourir » les humains au cœur des radiations, même en l'absence de danger immédiat ; ce faisant, ils nuisent au travail et se détruisent eux-mêmes.
Enlever la clause d'« inaction » de la Première Loi résout le problème, mais crée la possibilité d'un problème encore plus grand : un robot peut commencer une action dangereuse en sachant qu'il peut l'interrompre, puis décider de ne pas aller jusqu'au bout (lâcher une lourde charge sans la rattraper est l'exemple donné dans le texte).
Asimov ajoute une "Loi Zéro" - nommée ainsi pour continuer sur le modèle des lois au nombre plus bas ayant une importance plus grande que les lois au nombre haut - énonçant qu'un robot ne doit pas simplement agir dans l'intérêt des humains individuels, mais dans celui de l'humanité tout entière. Le personnage robotique R. Daneel Olivaw est le premier à donner un nom à cette Loi, dans le roman Les Robots et l'Empire ; cependant, Susan Calvin articule ce concept dans la nouvelle Le Conflit évitable.
Dans les scènes finales du roman Les Robots et l'Empire, R. Giskard Reventlov est le premier robot à agir selon la Loi Zéro, cependant cela s'avère destructeur pour son cerveau positronique, car il n'est pas certain que son acte oriente l'humanité vers son bien absolu ou non. Giskard est télépathe, comme le robot Herbie dans la nouvelle Menteur !, et il en vient à comprendre la Loi Zéro à travers sa compréhension d'un concept plus subtil de la "blessure" que la plupart des robots peuvent saisir. Cependant, à l'inverse de Herbie, Giskard saisit le concept philosophique de la Loi Zéro, ce qui lui permet de blesser des êtres humains si cela peut en quoi que ce soit l'aider dans son service du concept abstrait d'humanité. La Loi Zéro n'est jamais programmée dans le cerveau de Giskard, c'est en fait une règle qu'il tente de rationaliser par pure réflexion métaphysique; il échoue, et donne ses capacités télépathiques à son successeur, R. Daneel Olivaw. Durant des milliers d'années, Daneel s'adapte lui-même pour être capable d'obéir pleinement à la Loi Zéro. Telle qu'il la formule, dans les livres Terre et Fondation et Prélude à Fondation, la Loi Zéro se lit : "Un robot ne peut pas faire de mal à l'humanité, ni, par son inaction, permettre que l'humanité soit blessée."
Une condition énonçant que la Loi Zéro ne doit pas être brisée est ajoutée aux Lois originelles.
Un traducteur incorpora le concept de Loi Zéro dans une des nouvelles d'Asimov avant même qu'Asimov lui-même ne l'explicite. Vers l'apogée de Les Cavernes d'acier, Elijah Baley se fait un commentaire amer à lui-même, pensant que la Première Loi interdit un robot de blesser un être humain, sauf si le robot en question est assez intelligent pour réaliser que ses actions sont faites pour le bien, à long terme, de l'homme (ce qui veut dire ici que dans Les Cavernes d'acier, les pensées de Baley émergent dans une voie légèrement différente :
"Un robot ne doit faire aucun tort à un homme, à moins qu'il trouve un moyen de prouver qu'en fin de compte le tort qu'il aura causé profite à l'humanité en général !").
Gaïa, la planète dotée d'une intelligence collective dans les nouvelles de Fondation, adopte une loi similaire à la Première comme leur philosophie : "Gaïa ne doit pas nuire à la vie, ou, par son inaction, permettre à la vie d'être blessée."
Par trois fois dans sa carrière d'écrivain de fiction, Asimov a fait le portrait de robots qui négligeaient complètement le système de valeur des Trois Lois, à l'inverse des robots Daneel et Giskard, qui avaient pour but de l'augmenter. Le premier cas, une histoire courte nommée Première Loi, est souvent considérée comme insignifiant, invraisemblable ou même apocryphe. D'un autre côté, l'histoire courte nommée Cal (intégrée dans Gold), racontée à la première personne par un narrateur robotique, met en scène un robot qui néglige les Lois parce qu'il a trouvé quelque chose de bien plus important : il veut être écrivain. Humoristique, en partie autobiographique, et dans un style expérimental inhabituel, Cal a été vu comme une des histoires les plus fortes de Gold. La troisième est une histoire courte dont le titre est Sally, dans laquelle des voitures équipées de cerveaux positroniques sont apparemment capables de blesser et de tuer des humains, désobéissant à la Première Loi. Cependant, mis à part le concept de cerveau positronique, cette histoire ne se réfère pas aux autres histoires de robots, et ne peut donc pas vraiment être incluse dans la même continuité.
La première histoire de la collection de Le Robot qui rêvait dépeint un robot, LVX-1 ou "Elvex", qui entre dans un état d'inconscience et de rêve, dû à la structure fractale inhabituelle de son cerveau positronique. Dans son rêve, les deux premières Lois sont absentes, et la Troisième Loi dit : "Un robot doit protéger sa propre existence".
La position d'Asimov sur la profondeur de l'empreinte des Lois évolua dans la chronologie de ses histoires : bien que dans ses premiers écrits elles n'aient été que des garde-fous précautionneusement conçus, dans les histoires plus récentes Asimov indiqua qu'elles étaient une partie inaliénable de la fondation mathématique soutenant le cerveau positronique : sans la théorie de base des Trois Lois, les scientifiques fictifs de l'univers d'Asimov seraient incapables de créer une unité cervicale viable. Dans Le Petit Robot perdu, Susan Calvin considère que modifier les Lois est une idée terrible, mais faisable, tandis que, des siècles plus tard, le Dr. Gerrigel, dans Les Cavernes d'acier, croit que c'est impossible.
Le Dr. Gerrigel utilise le terme "Asenion" pour décrire des robots programmés avec les Trois Lois. Dans les histoires d'Asimov, les robots étant des robots Asenion sont incapables de violer consciemment les Trois Lois, mais en principe, un robot dans la science-fiction ou dans le monde réel pourrait être un non-Asenion. ("Asenion" est une faute d'orthographe du nom Asimov, qui fut faite par un éditeur du magazine Planet Stories. Asimov utilisa cette variation obscure de son nom pour s'insérer lui-même dans Les Cavernes d'acier, d'une manière semblable à celle de Vladimir Nabokov apparaissant dans Lolita déguisé par l'anagramme "Vivian Darkblood".)
Comme les personnages dans les histoires le font souvent remarquer, les Lois telles qu'elles existent dans l'esprit d'un robot ne correspondent pas à la version écrite, verbale, habituellement citée par les humains, mais sont des concepts mathématiques abstraits sur lesquels l'entière conscience développante d'un robot est basée. Ainsi, les Lois sont comparables aux instincts basiques de l'homme sur la famille ou l'accouplement, et sont conséquemment plus proches de former la base d'une conscience propre d'un robot - un sens dont le but est basé sur le service à l'humanité, l'obéissance aux ordres des hommes et l'existence continue dans ce mode - plus que des limitations arbitraires de l'entourage d'un esprit indépendant sans cela. Ce concept est largement brouillé et peu clair dans les histoires les plus anciennes qui décrivent des robots très rudimentaires qui sont seulement programmés pour accomplir des tâches physiques sommaires, avec les Lois implantées comme des protections, mais dans l'ère de Les Cavernes d'acier, où l'on voit des robots avec une intelligence surhumaine, les Trois Lois sont devenues une vue éthique du monde sous-tendant les actions de tous les robots.
Les Solariens ont, par la suite, créé des robots régis par les trois lois de manière normale, mais pour qui le sens du mot « humain » est déformé. On enseigne aux robots solariens que seuls les personnes parlant avec l'accent solarien sont humaines. De cette manière, les robots n'auront aucun problème à agresser des humains non solariens (et sont même programmés spécifiquement pour cela). Au temps où se déroule Terre et Fondation, l'auteur révèle que les Solariens se sont modifiés génétiquement eux-mêmes et sont devenus comme une espèce distincte de l'humanité - devenant hermaphrodites, capable de télépathie et contenant des organes capables d'actionner et de contrôler d'immenses complexes de robots à eux tous seuls. Les robots de Solaria continuent de respecter les trois lois en considérant les Solariens comme seuls humains, plutôt que les hommes normaux du reste de la galaxie.
Asimov traite le problème des robots humanoïdes (« androïdes », selon le terme plus récent) à plusieurs reprises. Le roman Les Robots et l'Empire et les nouvelles Evidence et L'Incident du tricentenaire décrivent des robots fabriqués pour tromper les hommes en leur faisant croire que les robots sont humains. D'un autre côté, L'Homme bicentenaire et Pour que tu t'y intéresses explorent la manière dont les robots peuvent changer leur interprétation des lois à mesure qu'ils deviennent plus sophistiqués. (Gwendoline Butler écrit dans Un cercueil pour le canari : « Peut-être sommes-nous des robots. Des robots vivant la dernière Loi de la Robotique… Pour tendre à devenir des humains. »)
That Thou art Mindful of Mind, qui devait être pour Asimov l'« ultime » sonde dans les subtilités des lois, utilise finalement les trois lois pour conjurer le scénario à la « Frankenstein » que les hommes devaient résoudre. La nouvelle prend comme concept le développement grandissant des robots qui imitent les êtres vivants non-humains, et sont par conséquent programmés pour agir selon les comportements de simples animaux qui ne nécessitent pas les trois lois. La présence d'une large palette de vie robotique qui sert le même but que la vie organique se finit avec deux robots humanoïdes concluant que la vie organique est une condition non-nécessaire pour une vraie logique et une définition cohérente par elle-même d'« humanité », que comme ils sont les êtres pensants les plus avancés sur leur planète, ils sont les seuls vrais humains en vie, et que les trois lois s'appliquent seulement à eux-mêmes. L'histoire se termine sur une note sinistre comme les robots hibernent et attendent un moment, après quoi ils vont conquérir la Terre et soumettent les humains biologiques s'y trouvant, une conséquence qu'ils considèrent comme le résultat inévitable des « Trois Lois de L'Humanique ».