Metro City, un mundo futurista en una reluciente metrópolis espacial, año 2108. Tras perder a su hijo Toby, el brillante científico 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. 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 tropas del militarista Presidente Stone, obsesionado en 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. Pronto Astro Boy se embarcará en un viaje lleno de aventuras para enfrentarse a su identidad y a su destino: salvar la tierra.
