Di dunia masa depan, kerana kehilangan anaknya, saintis genius Dr. Tianma (disuarakan oleh Nicolas Cage) mencipta robot Astro Boy (disuarakan oleh Freddie Highmore), ingin menggunakannya sebagai pengganti Cari keselesaan . Walaupun, Astro Boy mempunyai emosi dan ingatan anak doktor, dan prosedur lanjutan sentiasa meningkatkan emosinya dan menjadikannya belas kasihan. Bagaimanapun, doktor masih tidak dapat menerima kesakitan kehilangan anaknya, dan dia tidak dapat merawat Astro Boy dengan betul, dan meninggalkannya kerana menganggap dia bukan manusia. Astro Boy telah dikurangkan kepada kanak-kanak jalanan gelandangan, dan dikehendaki oleh tentera di mana-mana, dan akhirnya ditangkap. Tentera meminta Dr. Tianma untuk mengambil tenaga Astro Boy dan mengubahnya menjadi peralatan tenaga untuk robot tentera. Pada saat akhir, Dr Tianma tiba-tiba bangun dan membantu Astro Boy melarikan diri. Menghadapi pengejaran dan pemintasan tentera, Astro Boy bangkit untuk menentang, dan akhirnya pertempuran yang mengejutkan akan tercetus. Dalam proses perjalanan berterusan, Astro Boy juga secara beransur-ansur membesar, Dia juga menerima reka bentuknya sendiri untuk menggabungkan jentera dan manusia, dan memikul tanggungjawab penting kehidupan dan kematian semua manusia.