ในโลกอนาคตที่มนุษย์และหุ่นยนต์อยู่ร่วมกัน เด็กหนุ่มอัจฉริยะนามว่า "โทบิโอ" สูญเสียพ่อไปจากอุบัติเหตุ ก่อนที่พ่อจะถ่ายทอดจิตวิญญาณของเขาให้กับหุ่นยนต์จำลองสุดทรงพลังที่ชื่อ "แอสโตรบอย" แอสโตรบอยต้องต่อสู้กับอคติของสังคมที่หวาดกลัวพลังปรมาณูในตัวเขา ขณะเดียวกันก็ต้องเผชิญหน้ากับวายร้ายที่วางแผนทำลายโลกด้วยเทคโนโลยีเดียวกัน การเดินทางครั้งนี้จะพิสูจน์ว่าเขาคือมากกว่าหุ่นยนต์ แต่คือหัวใจที่กล้าหาญของเด็กหนุ่มผู้เป็นความหวังของมวลมนุษย์
