Tại thành phố Metro trong thế giới tương lai, một thủ phủ tráng lệ của bầu trời, tiến sĩ Tenma đã tạo ra Astro Boy để thay thế đứa con trai ông vừa để lạc mất, ông lập trình cho cậu bé robot có những tố chất và tính cách tốt nhất của loài người cũng như trang bị cho cậu sức mạnh siêu nhiên phi thường. Thất bại trong việc làm hài lòng người cha đang đau khổ, Astro Boy phải đối mặt với hai khó khăn cùng một lúc: cậu rất đau lòng khi khám phá ra rằng mình chỉ là một con robot chứ không phải là con người thực sự.
Astro Boy mang trong người Hạt Nhân Xanh, một nguồn năng lượng được tạo bởi nhân tố năng lượng xanh. Nhân tố này đang được truy lùng ráo riết bởi đội quân tinh nhuệ của tổng thống Stone, người luôn tự ám ảnh mình rằng phải chiếm được Hạt Nhân Xanh cho robot giữ hòa bình của mình mà thực chất là một cỗ máy được tạo ra để hủy diệt Trái Đất.
