서기 2221년, 은하철도 999를 타면 영원한 생명인 기계 몸을 무료로 받을 수 있다는 소문을 듣고 테츠로는 엄마와 함께 메가로폴리스로 향한다. 그러나 엄마는 인간 사냥꾼인 기계 백작의 손에 희생되고 눈보라 속에 쓰러진 철이는 메텔이라는 수수께끼 여인의 도움으로 목숨을 건진다. 메텔은 자신과 동행하는 조건으로 은하철도 999의 무기한 승차권을 내미는데...

은하철도 999는 첫 정차역인 화성에 도착한다. 그리고 주점 주인의 딸인 프레메의 안내로 화성 구경에 나선 테츠로. 그러나 이 모든 건 테츠로의 승차권을 빼앗기 위한 플레메의 계획이었다. 플레메의 애인인 제로니모는 테츠로에게 승차권을 빼앗고, 총에 맞은 테츠로는 쓰러지고 만다.

소행성 터널에서 엄마로 둔갑한 악마에게 공격당한 테츠로는 식당차에서 알게 된 유리 몸을 가진 종업원, 클레어의 도움으로 목숨을 건진다. 그 후 정차한 곳은 토성의 위성 타이탄. 그러나 개인의 자유를 철저히 보장받는 타이탄에서 메텔이 납치되고 만다. 테츠로는 메텔을 구하기 위해 포도 계곡으로 향하는데...

999 열차에 잠입한 우주 도적 안타레스는 테츠로와 메텔을 인질로 잡은 후 기관실로 향해 열차의 궤도를 자신의 집으로 향하도록 변경한다. 이에 은하철도 관리국이 발칵 뒤집힌다.

기계가 된 인간들의 몸을 보관하는 얼음 묘지, 명왕성에 도착한 테츠로는 시내 밖을 나가지 말라는 메텔의 말을 잊고, 얼음 묘지에서 관리인인 섀도를 만난다. 섀도는 자신의 아름다움을 영원히 간직하기 위해 기계 몸으로 바꿨지만 만족하지 못했고, 그녀는 테츠로의 영혼을 빼앗아 예전 모습으로 돌아가려고 한다.

혜성의 집합소인 혜성역에 내린 테츠로는 정차 시간을 때우기 위해 지구에서 팔던 모든 책이 있는 서점에 들어간다. 하지만 그곳에서 어떤 남자의 시비로 찰과상을 입는다. 게다가 치료를 위해 병원을 찾은 테츠로는 기계 몸으로 바꿔야 한다는 의사의 터무니없는 진료로 수술을 받을 위기에 처한다.