Metro City, un mundo futurista en una reluciente metrópolis espacial, año 2108. Tras perder a su hijo Toby, el brillante científico y Ministro de Ciencias Dr. Tenma intenta reemplazarle con Astro Boy, un robot con cuerpo de niño y sentimientos humanos dotado de extraordinarios superpoderes: visión con rayos X, una gran inteligencia artificial y cohetes en sus botas y brazos. Pero Astro Boy no logra cumplir las expectativas de su afligido padre y éste le rechaza. Sus penas se acrecientan aún más cuando se entera de que ni siquiera es humano: es un robot. El corazón de Astro Boy está formado por el Núcleo Azul, una fuente de energía positiva extremadamente poderosa que le convierte en el objetivo principal de las del militarista Presidente Stone, obsesionado con obtener el Núcleo Azul para crear el robot Pacificador, quien a pesar de su inofensivo nombre ha sido diseñado como un robot para dominar la tierra.

En su intento por huir de las tropas del Presidente Stone, Astro Boy se estrella en la superficie de la Tierra. Perdido y sin saber quién es en realidad, Astro Boy sólo sueña con encajar. Ignora su verdadera naturaleza e intenta hacerse pasar por humano juntándose con una pandilla de niños vagabundos. Pero el líder Hamegg, a quien Astro Boy ve como una figura paterna, acaba embelesándole e ingenuamente Astro Boy le cuenta la verdad sobre sí mismo.

Hamegg traiciona a Astro Boy revelando su verdadera identidad y convirtiéndole en un robot-gladiador para luchar en los Juegos Robóticos que él mismo organiza. Cuando se ve obligado a enfrentarse a multitud de robots, Astro Boy demuestra su nobleza y se gana al público asistente al negarse a luchar contra ellos y desarticular a su contrincante únicamente cuando la vida de los espectadores está en peligro. Los militares captan los picos de energía emitidos por el Núcleo Azul y capturan a Astro Boy, quien se resigna a aceptar su destino. Cuando el Dr. Tenma, su creador, le extrae la fuente de energía, Astro Boy le perdona por lo que está haciendo. Esta muestra de bondad innata le abre los ojos al Dr. Tenma y éste se da cuenta de su terrible error. Tras reconciliarse con el hijo que rechazó injustamente, el Dr. Tenma permite que Astro Boy escape.

El destructivo Pacificador, cargado con la peligrosísima energía negativa del Núcleo Rojo y bajo las órdenes del Presidente Stone, está fuera de control y siembra el caos en Metro City. Pero Astro Boy vuelve para ayudar a los ciudadanos, se enfrenta al Pacificador y evita que Metro City se estrelle contra la Tierra. En la batalla final, todos los hilos argumentales confluyen para que Astro Boy acepte su origen mestizo (es medio humano medio robot) y abrace su destino como el salvador de la humanidad.