Dans le futur, la Terre est devenue un dépotoir et quelques privilégiés vivent dans la ville flottante de Metro City. Le professeur Tenma a mis au point un robot militaire pour le président de Metro City mais, lors d'un essai, son fils Toby est tué. Tenma construit un sosie mécanique de son enfant, qu'il dote d'une mémoire et de superpouvoirs. Pourtant, Tenma ne parvient pas à aimer ce fils de substitution et Astro, qui a découvert qu'il était un robot, fuit dans le monde d'en-dessous.