ロボットが全ての世話をしてくれる、夢のような空中都市メトロシティ。
科学省長官のテンマ博士の息子トビーは、父親に似て頭がよく、学校の成績は常にトップ。ある日、父の研究を見るため科学省に行き、ロボット兵器、ピースキーパーの実験施設へと潜り込んだ。しかし、実験中の事故に巻き込まれ不運にも命を落としてしまう。悲しみに打ちひしがれたテンマ博士は、トビーを取り戻そうと、最新型ロボットとして息子を甦らせた。
姿はそっくりで、記憶もトビーのまま。人口頭脳には、トビーのDNAから採取した記憶もアップロードした。さらにロボットには、テンマ博士の仲間であるお茶の水博士が開発した、“ブルーコア”という究極の未来型エネルギーを搭載した。
しかし、目を覚ましたトビーは、元の息子とはどこか違っていた。やはりロボット、息子ではないという想いが日増しに強まり、テンマ博士はついにトビーを追い出してしまう。
トビーは、居場所を求めて初めて地上へとやってきた。そこは、メトロシティのいらなくなったロボットが捨てられる、荒廃した場所だった。さまようトビーはやがて人間の子供たちと出会う。彼らは親もなく、毎日ガラクタを拾って生活していた。自分がロボットであることを言えず、メトロシティからやってきた人間として、自らをアトムと名乗り、彼らと暮らすようになる。アトムは、新しい仲間ができたことで、笑顔を取り戻していく。旧型のロボットに勝手につけられた名前を使い、自らをアトムと名乗るようになった。アトムは、新しい仲間ができたことで、笑顔を取り戻していく。
そのころ、地上との戦争を企んでいたストーン大統領は、“ブルーコア”を手に入れ最新兵器にしようと、軍を総動員しアトムの捜索を開始する。そして、ついにアトムは捕らえられ、テンマ博士と再会する。「父さん、本当の息子になれなくてごめんね・・・。」テンマ博士の頭には、幼い頃のトビーとの思い出が甦る。一方、ストーン大統領はアトムを破壊すべく、もう1つの新エネルギー、“レッドコア”をピースキーパーに使い、強硬手段に打って出る。暴走する敵に対し、アトムは自分の身を犠牲にしてでも皆を守ろうと、ついに立ち上がる??。
