Sett i fremtidige Metro City er Astro Boy en ung robot med utrolige krefter laget av en genial vitenskapsmann ved navn Dr. Tenma. Drevet av positiv "blue" energi, er Astro Boy utstyrt med superstyrke, røntgen­syn, utrolig fart og evnen til å fly. På jakt etter aksept legger han ut på en reise og møter mange andre fargerike karakterer underveis. Gjennom sine eventyr lærer han gleden og følelsene ved å være menneske, og får styrken til å omfavne sin skjebne. Til slutt når han finner ut at vennene og familien hans er i fare, mobiliserer Astro Boy sine fantastiske superkrefter og vender tilbake til Metro City i en tapper innsats for å redde alt han bryr seg om og for å forstå hva det betyr å være en helt.