En l'an 2003, le monde est couvert par la technologie et la science, et les robots vivent en société avec les hommes. Au Japon, le respectable Docteur Tenma est une figure dominante des sciences, et a contribué à la modernisation du pays. Un jour, son fils unique, Tobio, se fait tuer dans un accident de voiture. Pris de désespoir et ne pouvant accepter cette perte, Tenma décide de faire bâtir un robot à l'image de son fils afin de le remplacer, et de le munir de super-pouvoirs pour qu'il ne soit plus victime de quelque accident.

Bien que le nouveau Tobio s'humanise et développe l'âme d'un garçon humain, Tenma se rend compte qu'un robot ne pourra jamais remplacer son fils après s'être aperçu qu'il ne grandirait jamais comme un vrai enfant. Il le rejette, le renie et le vend à un cirque de robots dont le directeur est très cruel envers les artistes. Mais Tobio est recueilli par un savant, le professeur Ochanomizu, qui le prend sous son aile et décide de faire de lui un super-héros, renommé Astro, qui combattra pour la paix, la justice et la tolérance dans un monde où les robots sont souvent objets de discrimination par les humains.