Bộ phim hoạt hình 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.