Події відбуваються у футуристичному Метро-Сіті, процвітаючому мегаполісі, де співіснують люди і роботи. Доктор Тенма, геніальний вчений, створює потужного робота на ім'я Астробой за образом свого померлого сина Тобі. Наділений неймовірними здібностями та емоціями, Астробой покликаний стати ідеальною заміною його втраченій дитині.
Однак творіння доктора Тенми зустрічає розчарування та відторгнення. Відчуваючи себе непотрібним, Астро-хлопчик вирушає у подорож самопізнання, прагнучи знайти своє місце у світі. На цьому шляху він зустрічає різних персонажів, як людей, так і роботів, які формують його розуміння любові, дружби та складнощів буття інакшим.