Phim lấy bối cảnh tại một thành phố tương lai mang tên Metro City. “Astro Boy” là một cậu bé người máy với sức mạnh siêu phàm được tiến sĩ Tenma chế tạo ra dựa theo hình dáng Toby, đứa con quá cố của ông. Tuy nhiên, càng lúc ông càng nhận ra rằng nỗi đau mất con của mình quá lớn và không gì có thể thay thế được vị trí của Toby trong lòng ông. Cuối cùng, tiến sĩ Tenma đã từ chối cậu bé robot và đẩy cậu vào một chuyến phiêu lưu cô độc đầy khó khăn.
Cậu bé robot lại mang nhiều khả năng đặc biệt do được hấp thụ từ Hạt Nhân Xanh trong người. Cậu có thể nhìn thấu được mọi vật, có thể bay lượn trên không trung cùng khả năng chiến đấu cao. Cậu đã tự chọn cho mình cái tên Astro và bắt đầu một cuộc sống mới. Trong cuộc hành trình đi tìm câu trả lời về chính bản thân mình, Astro không chỉ gặp rất nhiều nhân vật khác nhau mà còn trải nghiệm về những niềm vui và xúc cảm của con người.
