În Metro City, un oraș din viitor, omul de știință Tenma (Nicolas Cage) creează un robot cu puteri supranaturale. După pierderea prematură a propriului fiu, robotul Astro Boy (Freddie Highmore) devine un înlocuitor al acestuia, bătrânul împrumutându-i cât mai multe trăsături umane. Însă, deși Astro Boy este superdotat cu puteri fantastice: forță, viteză incredibilă, posibilitatea de a zbura, vedere X-Ray, are mai presus de toate și propria personalitate.
Incapabil să atingă așteptările exagerat de mari ale tatălui său savant, Astro Boy hotărăște să plece într-o călătorie inițiatică pentru a se descoperi pe sine și a fi acceptat și iubit așa cum este. Devenit un super-erou, acesta își dă seama că a fost proiectat să salveze lumea, întorcăndu-se în orașul său natal pentru a-l salva, dar și pentru a se împăca cu propriul tată.