Toby adalah seorang anak yang sangat cerdas dan selalu ingin tahu dengan apa yang sedang terjadi. Ayahnya Dr. Tenma adalah seorang ilmuwan hebat di Metro City, sebuah kota yang melayang diatas bumi. Suatu saat dalam sebuah percobaan yang diminta Jendral Stone yang berambisi membuat robot yang bisa dipergunakan sebagai alat perang melawan musuh, Toby menjadi korban, yang berujung dirinya harus menjadi sebuah robot yang sangat hebat.

Karena kehebatannya itulah dirinya dikejar oleh Jendral Stone yang menginginkan kekuatannya. Toby yang saat itu belum bisa maksimal menggunakan kekuatanya kalah dan terlempar ke permukaan bumi, tempat Metro City membuang robot-robot bekas. Disinilah Toby bertemu teman-teman baru dan mengganti namanya menjadi Astro Boy.Karena putus asa tidak bisa mendapatkan Toby, akhirnya Jendral Stone mengirim pasukan robot untuk mencari Toby di bumi. Dengan dibantu teman-teman barunya ini, Astro Boy mencoba menyelamatkan penduduk Metro City dari keganasan sang Jendral yang berubah menjadi robot raksasa.