Действие картины происходит в будущем, когда научно-технический прогресс достиг уже небывалых высот. В космическом городе Метрополисе живет и работает талантливый ученый доктор Тенма.

Доктор, являющийся создателем уникальных роботов-помощников, воспитывает сына Тоби. Мальчик отличается большой любознательностью, и все время норовит оказаться там, где ему не следует быть. Однажды, во время проведения научных испытаний, маленький непоседа попадает в опасную ситуацию и погибает. Отец, обезумев от горя, решает создать себе робота-ребенка, и на свет появляется Астробой.

Мальчик-робот наделен лучшими человеческими качествами, а также выдающимися сверхспособностями. Узнав однажды всю правду о своем появлении на свет, киборг решает покинуть Метрополис, отправляясь навстречу опасным приключениям. Некие преступные захватчики хотят использовать Астробоя в своих целях, для установления полной власти на Земле.