Film animasi sci-fi Astro Boy menghadirkan kisah emosional tentang kehilangan, identitas, dan arti menjadi manusia di masa depan.

Cerita berlatar abad ke-22 di Metro City, kota futuristik yang melayang di atas Bumi yang telah tercemar. Toby Tenma adalah seorang anak jenius, putra dari ilmuwan ternama Dr. Tenma yang bekerja di Kementerian Sains bersama Dr. Elefun. Atas perintah Presiden Stone, mereka menciptakan robot canggih bernama Peacekeeper yang ditenagai dua inti energi, biru (positif) dan merah (negatif). Namun, keputusan Stone menggunakan inti merah membuat robot itu menjadi agresif dan secara tragis menyebabkan kematian Toby.

Dilanda kesedihan, Dr. Tenma menciptakan robot baru dengan ingatan dan kepribadian Toby, menggunakan inti biru sebagai sumber tenaga. Robot tersebut percaya dirinya adalah Toby. Namun, Tenma akhirnya sadar bahwa robot itu tak bisa menggantikan anaknya yang telah tiada, dan menolaknya. Sementara itu, Presiden Stone memburu robot tersebut demi mengambil kembali inti biru. Dalam pelariannya, Toby, yang kemudian dikenal sebagai Astro jatuh ke Bumi yang penuh dengan robot-robot buangan.

Di sana, Astro bertemu sekelompok anak yatim dan komunitas robot pemberontak yang ingin bebas dari kendali manusia. Ia mulai menemukan arti persahabatan dan jati diri. Namun hidupnya kembali terancam saat identitasnya sebagai robot terungkap dan ia dimanfaatkan dalam arena pertarungan robot.

Setelah melalui berbagai konflik, Astro akhirnya kembali ke Metro City dan berdamai dengan ayahnya. Namun ancaman besar muncul ketika Peacekeeper bangkit kembali dengan kekuatan inti merah dan berubah menjadi monster raksasa yang menghancurkan kota.

Dalam pertarungan klimaks, Astro menyelamatkan Metro City dari kehancuran. Menyadari bahwa inti biru dan merah akan saling menghancurkan, Astro mengorbankan dirinya dengan menghantam Peacekeeper demi menyelamatkan semua orang. Meski hancur, ia berhasil dihidupkan kembali berkat energi inti biru.

Akhirnya, Astro diakui sebagai pahlawan, bersatu kembali dengan ayahnya dan teman-temannya, serta siap menghadapi ancaman baru demi melindungi dunia.