Được đặt ở bối cảnh tương lai, Astro Boy nguyên là một bộ truyện siêu anh hùng cổ điển.Bộ phim hoạt hình được làm bằng công nghệ CG hoàn toàn mới này kể về một cậu bé robot có sức mạnh phi thường và cuộc hành trình đầy tính phiêu lưu nhằm tìm kiếm vận mệnh của chính mình.

Thành phố Metro trong thế giới tương lai, một thủ phủ tráng lệ của bầu trời, nhà khoa học xuất chúng – 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.

Thoát khỏi sự truy kích của quân đội, Astro Boy chạm phải bề mặt Trái Đất. Cậu bị lạc và hoang mang về bản năng của mình, cố gắng tìm cách hòa nhập. Chối bỏ nguồn gốc robot, cậu cố tỏ ra là một con người bằng cách nhập hội với băng đảng của bọn trẻ ăn mày trên đường phố. Do ngây thơ ngờ nghệch, cậu bị thủ lĩnh Hamegg khống chế, kẻ mà cậu xem như là một người cha của mình. Trước sự hoảng sợ tột cùng của Astro Boy, Hamegg lộ rõ bản chất là một con robot đang cố biến cậu thành một robot võ sĩ giác đấu.

Trong “Trò chơi robot của Hamegg”, Astro Boy bị buộc phải đối diện với hàng lớp lớp robot. Cậu luôn từ chối chiến đấu và chỉ hạ đối thủ khi chúng đe dọa sự an toàn của khán giả, chính sự hào hiệp quý tộc của Astro Boy đã giúp cậu thu phục cảm tình của cả đám đông. Được báo động bởi dòng chảy của năng lượng hạt nhân, quân đội đã xuống Trái Đất để bắt Astro Boy, và cậu đã đầu hàng số phận của mình.  Khi Tiến sĩ Tenma, người đã tạo nên Astro Boy tháo bỏ nguồn năng lượng cho cậu, Astro Boy tha thứ cho ông về những việc ông đã làm. Điều này chứng tỏ cuối cùng thì những điều tốt đẹp chân thành đã khai sáng cho Tiến sĩ Tenma sau những việc tồi tệ mà ông đã làm. Sum họp với đứa con trai mà ông đã từ bỏ một cách sai lầm, Tiến sĩ thả cho Astro Boy trốn thoát.

Robot phá hủy nhân danh hòa bình của tổng thống Stone gần đây vừa được trang bị nguồn năng lượng Hạt Nhân Đỏ vô cùng nguy hiểm theo sự sắp xếp của tổng thống đã vượt khỏi tầm kiểm soát  và gây nên cảnh hỗn loạn hoang tàn cho thành phố Metro. Astro Boy trở lại để giúp cho cư dân thành phố, chiến đấu với robot phá hủy và ngăn cho thành phố Metro không va vào Trái Đất. Trong cuộc chiến tương tàn khốc liệt, những mối dây liên kết câu chuyện được nối lại với nhau khi Astro Boy chấp nhận thân phận nửa người nửa robot của mình và tìm được vận phận của mình là trở thành chiến binh giải cứu của nhân loại.