2003년, 인류는 다양한 로봇들을 개발하여 이용하고 있다. 그러나 그때까지도 로봇은 인간의 명령에 따라 움직이는 기계일 뿐이었는데, 2003년 4월 7일 인간의 마음을 지닌 세계 최초의 로봇 아톰이 코주부 박사(오차노미즈 박사)에 의해 개발된다. 마음을 지닌 로봇이라는 존재에 공포를 느낀 사람들 일부는 이 로봇을 제거하자고 뜻을 모으지만 그 사이 아톰은 자신의 힘으로 위기에 빠진 사람들을 돕는다. 아톰은 학교에 다니기 시작하고 친구도 사귀면서 서서히 사람들 사이에서 받아들여 진다. 하지만 로봇을 제거하려는 사람들은 계략을 써서 로봇들을 궁지에 몰고 일부 로봇들은 인간에 대항하여 자신들의 세계를 건설하고자 한다. 한편 과학성 장관이었던 텐마 박사는 인간에 적대하는 로봇을 만들어 아톰에게 도전하는데...