Toby Tenma es un adolescente que vive en la ciudad-estado futurista de Metro City, que flota sobre la superficie contaminada de la Tierra. Su padre, el Dr. Tenma, trabaja en el Ministerio de Ciencia, junto al Dr. Elefun. Crean el Pacificador, un avanzado robot defensivo que se alimenta con los núcleos Azul y Rojo, dos poderosos núcleos de energía que emiten respectivamente energía positiva y negativa opuesta, descubiertos por el Dr. Elefun. Los dos científicos informan al presidente de Metro City, Stone, que se presenta a la reelección. En contra de las advertencias de los científicos, Stone carga el núcleo rojo negativo en el Pacificador, lo que hace que se vuelva muy agresivo. Toby muere accidentalmente a manos del Pacificador, que intenta abandonar violentamente el centro de investigación antes de ser abatido por el Dr. Elefun.

Un Tenma angustiado revive a Toby como un robot programado con todos sus recuerdos, pero también fabrica su cuerpo con defensas incorporadas para protegerlo. Impulsado por el Núcleo Azul, el robot se activa y cree ser Toby, pero aunque tiene su mente original y una personalidad similar, Tenma se da cuenta de que nunca podrá revivirlo como el hijo que perdió. Toby descubre sus nuevas capacidades de robot, incluyendo la capacidad de entender a los robots que no hablan y de volar con cohetes. Stone hace que sus fuerzas persigan a Toby, pero la persecución le lleva a caer por el borde de la ciudad cuando el buque insignia de Stone le hace estallar con misiles. Mientras tanto, Tenma se libra de la detención aceptando inutilizar a Toby y entregar el núcleo azul.

Toby se despierta en un enorme depósito de chatarra, creado a partir de los robots redundantes de Metro City que ha arrojado allí. Conoce a un grupo de niños huérfanos, Zane, Sludge y Widget, y a Cora, acompañados por un robot con aspecto de perro llamado Trashcan. Toby también conoce a los miembros del Frente Revolucionario de los Robots (FRR), Sparx, Robotsky y Mike el Frigorífico, que planean liberar a los robots del control de la humanidad, pero son muy ineptos y están sujetos a las Leyes de la Robótica. Mientras intentan reclutarlo para su causa, rebautizan a Toby como "Astro Boy". Hamegg, el cuidador de los huérfanos, acoge a Astro. Al día siguiente, Astro se encuentra con un viejo robot de construcción desconectado llamado Zog, al que reactiva compartiendo parte de la energía del Núcleo Azul. Hamegg escanea a Astro, descubriendo que en realidad es un robot, y paraliza a Astro con su maza eléctrica para utilizarlo en el ring de lucha.

Astro derrota a regañadientes a los luchadores de Hamegg hasta que Zog se despliega. Astro y Zog se niegan a luchar y Hamegg intenta desactivar a ambos, pero Zog, que es anterior a las Leyes de la Robótica, se defiende. Zog casi mata a Hamegg pero es salvado por Astro, conmocionando a la multitud. Momentos después, las fuerzas de Stone llegan para llevar a Astro de vuelta a Metro City, y éste se entrega voluntariamente. Astro se reúne con Tenma y Elefun y permite que lo inhabiliten. Al darse cuenta de que aunque Astro no es Toby, sigue siendo su hijo, el Dr. Tenma desafía a Stone, reactiva a Astro y lo deja escapar. Enfadado, Stone recarga el Núcleo Rojo en el Pacificador para enviarlo tras Astro, sólo para que lo absorba y se fusione con él. El Pacificador absorbe armas y edificios, haciéndose más grande y fuerte, y ataca Metro City, lo que hace que Astro se enfrente a él. La central eléctrica de Metro City se destruye durante la lucha, lo que provoca la caída de la ciudad, y Astro utiliza su fuerza sobrehumana para ayudarla a aterrizar de forma segura.

El Pacificador intenta absorber a Astro para conseguir su Núcleo Azul utilizando el Núcleo Rojo, pero la conexión de los núcleos provoca una violenta reacción y los separa. El Dr. Tenma le dice a Astro que los dos núcleos unidos pueden destruirse a sí mismos. El Pacificador captura a los amigos de Astro de la chatarrería, y éste vuela hacia el Núcleo Rojo, sacrificándose para destruirlo, mientras que Stone sobrevive a su destrucción y es arrestado por sus acciones. Mientras Elefun y los niños encuentran el cuerpo de Astro, Zog reactiva a Astro compartiendo la energía del Núcleo Azul que lo reactivó, y Astro se reúne con todos sus amigos y su padre. Más tarde, la ciudad es atacada por un monstruoso extraterrestre ciclópeo, pero Astro le da un puñetazo al entrar en acción.