Zniszczony stratą swojego jedynego dziecka w wypadku samochodowym, dr Umatarou Tenma, dyrektor Ministerstwa Nauki, mobilizuje cały personel instytucji, aby stworzyć Atoma: robota ostatecznej technologii, wykonanego w dokładnym podobiznie jego zmarłego syna, Tobio. Oprócz niezrównanej siły i inteligencji, robot posiada również niewinność i bawiarski charakter młodego chłopca. Jednak Atom nie spełnia oczekiwań Tenmy, gdy ten ostatni zdaje sobie sprawę, że zastępstwo Tobio nie może rosnąć. Nie rozpoznając Atoma za to, czym jest, Tenma pragnie zapomnieć o całej sprawie. Odrzucając uczucia tego, co uważa za zwykłą maszynę, okrutnie sprzedaje androida do cyrku robotów, który traktuje swoich wykonawców jako jedynie wyrzucalne narzędzia. Mimo swojej sytuacji, Atom okazuje życzliwość swoim nieszczęśliwym krewnym i ludziom, nie oszczędzając wysiłku w czasach kryzysu, aby utrzymać wszystkich w bezpieczeństwie. Wkrótce los uśmiecha się do mechanicznego chłopca, gdy dr Ochanomizu – wizjoner walczący przeciwko nadużyciom robotów – uwalnia go z cyrku. Pod kierunkiem Ochanomizu i z szansą na wytyczenie ścieżki w ich mieszanym społeczeństwie ludzko-robotycznym, Atom nieustannie walczy, aby uczynić świat spokojnym miejscem, odkrywając jednocześnie jego ogromną złożoność.