Жизнь в мультфильме Астробой разворачивается в городе Метраполисе, который далёк от реальности. В этом городе есть свои помощники-машины, а именно роботы. Создателем этих помощников является очень умный, можно даже сказать гениальный инженер – учёный Тэнма. Тэнма живёт не один - у него есть сын Тоби, который к слову, не отстаёт от отца и обладает уникальными способностями. Они помогают ему справляться с решением трудных задач, которые не могу решить многие, меньше чем за минуту. Причиной трагедии становится интерес Тоби к военной технике и оружию.

В один из дней Элифас – коллега и друг отца Тоби обнаружив остатки кометы, смастерил из них два ядра, наполненные энергией. Как и положено у ядер разная энергия и цвет. Одно из ядер красного цвета с отрицательной энергией. Другое же – голубое с положительной. Ещё один герой генерал Стоун хочет создать сверхоружие, использовав красное ядро. Он приказывает поместить это ядро в Миротворца огромных размеров, но во время испытаний случается неожиданное и Миротворец становится безумным и взрывается, забрав с собой жизнь и сына Тэнма – Тоби, оставив лишь его кепку. Тоска одолевает отца, и он идёт на серьёзный шаг – решает воскресить Тоби при помощи положительной энергии и архивной копии памяти сына. Но достаточно скоро Тэнма понимает, что созданный киборг не может заменить ему сына. Киборг Тоби же сразу не понял, что он не является человеком, но однажды открыв в себе силы летать и бурить землю кулаками, догадывается, в чём дело. Он бежит порадовать отца своими способностями, но нечаянно становится свидетелем разговора между отцом и его коллегой и узнаёт, что он только робот. Расстроившись, киборг Тоби решает, что ему нечего делать в Метрополисе и улетает. Улетев на землю, которая полна отбросов он находит друзей и теперь у него есть своё имя – Астро. Астро притворяется человеком. Один из его друзей пёс-мусорка хочет его разоблачить, однако ему это никак не удаётся.

Самой близкой для Астро становится Кора, которая была в похожей ситуации. Родители Коры жили в Метрополисе и покинули её, но она верит, что когда-нибудь ещё сможет увидеть их. Киборг Тоби вместе с друзьями восстанавливает робота Зого, но его тайну раскрывает опекун, который считает роботов не более чем бездушными машинами. Совсем скоро Тоби понимает, что ему нужно возвращаться домой в Метрополис, иначе Стоун заберёт из него голубое ядро для переизбрания в президенты. Тоби не успевает убежать и попадает в плен, выбраться, откуда ему может помочь лишь Тэнма. Что и происходит, но Тоби предстоит схватка, в которой он побеждает лишь ценой собственной жизни. Зог должен Астро, поэтому он отдаёт часть своей энергии ему. Тоби воскресает, мирится с Тэнмой и Корой, но внезапно прилетает неизвестный пришелец и Астро понимает, что его предназначение – это быть героем и он отправляется сражаться с пришельцем.