L'histoire se déroule dans le futur, au 21ème siècle. Le Docteur Tenma est un grand scientifique à la tête de la recherche cybernétique japonaise. Un jour, son fils, le jeune Tobio, décède tragiquement dans un accident de voiture (dans le futur, les voitures roulent toutes seules, elles sont totalement autonomes, nul besoin de conduire). Il décide alors de créer un robot chargé de remplacer son fils, un robot qui lui ressemblerait parfaitement d'un point de vue physique et qu'on appellera Astro Boy. Sa fabrication aura pris un an et c'est une parfaite réussite... Du moins, au début. En effet, le Docteur Tenma comprend au bout de quelques années que Astro Boy ne grandira jamais comme un véritable petit garçon, qu'il gardera toute sa vie la même taille d'enfant. Furieux de voir qu'il n'a réussi qu'à créer un ersatz, une mauvaise copie de Tobio, le docteur vend Astro Boy à un cirque où l'on force les robots à faire des numéros ou pire, à se battre. C'est alors qu'intervient le Professeur Ochanomizu, un grand défenseur des droits des robots, qui parvient à faire passer une loi qui donne à ces derniers les mêmes droits que les hommes et notamment le droit à la liberté. Grâce à lui, Astro Boy peut enfin quitter le cirque et essayer de vivre une vraie vie de petit garçon et c'est le début d'une grande aventure pour notre petit robot.