O doutor Tenma constrói o robô Tobio para substituir o filho que perdeu, mas o abandona assim que a cópia se recusa a crescer como uma criança de verdade. Resgatado pelo professor Ochanomizu, defensor dos direitos dos robôs, o garoto ganha o nome de Astro e sete habilidades embutidas: voo a jato, força sobre-humana e olhos-holofote, entre outras. Ele cresce em uma Tóquio de futuro próximo onde humanos e robôs dividem as ruas com desconfiança. Ao lado da irmã-robô Uran, Astro enfrenta ameaças que nenhuma polícia humana daria conta, provando que um robô pode escolher proteger quem um dia o descartou.