2030年の東京。天馬博士は人の心を持つ製作中のロボットに、交通事故死した息子・トビオの名を。ワルプル・ギス伯爵はその設計図を盗撮させ、オメガ因子を加え複製ロボット・アトラスを作る。天馬は首相の処分命令を無視しトビオを完成させるが、トビオはアトラスと同調。回復してロボット処理車の暴走を止める。

アトラスに悪事を教えるスカンクは積み荷の金魂を狙い、天馬とトビオの乗る豪華客船に氷山をぶつけようとする。アトラスは氷山を砕いたトビオに怒り戦うが、エネルギーの切れたトビオは見逃され、ロボットサーカス団長の手中に。アトラスはメイドロボットのリビアンを分解した伯爵の車を、被弾しつつも谷に落とす。

トビオは団長に騙され、アメリカのロボットサーカスに。失敗続きの裏方ぶりを、天馬不在の科学省長官に任命予定のお茶の水博士が目撃する。トビオは壊れた花形ロボットに代わり電極ブランコをこなし、ロボット動物の暴走も防ぐ。団員のキャシーは団長を騙してトビオを解放。お茶の水と帰国する彼にアトムと名付ける。

科学省長官就任のお茶の水と帰国したアトムは、ロボット人権宣言の公布により、お茶の水小学校３年３組初のロボット新入生に。だがアトムの入れた１票差で、クラス委員長になれなかった四部垣が反発する。四部垣は父親が建設中の遊園地に子分らと侵入。未完成のロケット・コースターが止まらなくなってしまった！　数分後には大爆発を起こしてしまう！　アトムは急いで救出に向かうが……。

お茶の水博士と乗った旅客機が磁気嵐に遭ってしまう。アトムは墜落から救う。青年の姿に自己改造したアトラスは警察に追われるスカンクを助けるが別れ、お茶の水博士が作ったアトムの両親らを強奪する。共鳴相手を追跡したアトムは磁気嵐の原因を作っていたアトラスと出会い、世界征服への協力を拒んで基地を破壊し、両親を救い出す。

アトムの家に飛来した白鳥がオデット姫に変身。だが追ってきた魔王サターンに連れ戻される。お茶の水は科学省の元同僚・灰戸博士が作ったロボットランドの島をアトムと訪れ、ロボット虐待に憤慨。アトムは島に潜入し捕まるが、小学校の級友らが灰戸の兵器密造を暴き、ロボットたちも反抗。アトムはサターンを倒す。

科学省精密機械局で未完成の宇宙開拓用ロボット・フランケンが、落雷で暴走。最初に会った人間・スカンクに命令され、金品強奪を繰り返す。ロボット不信の風潮が広がり、街のロボットは次々と作動停止に。アトムもフランケンの共犯と誤解されるが、再び落雷で暴走したフランケンを修復し、スカンクの子分らを捕らえる。

東京・佐々ヶ谷で武蔵野の自然開発工事中止を訴えていた根子股教授は、自分の死を偽装。猫の仮面を付けて工事を止めようとするがアトムに暴かれ、11月19日の事件勃発をお茶の水に宣言する。当日、東京中の動物が暴れ出し、お茶の水はアトムに教授を探させて、超音波催眠装置を破壊。工事は中止されるが、教授は死ぬ。

森の砂漠化地帯を調査中のアトムの搭乗機が、怪人に襲われ墜落。ネズミロボットのドロップに救われたアトムは、砂漠の穴から出現した巨大クリスタルのなかで、リビアンとアトラスと出会う。クリスタルが砂漠化の原因と知り、脱出したアトムは宇宙でアトラスと対決。だがリビアンが犠牲となり、アトラスは去っていく。

世界一周赤道レースでの優勝を企むスカンク一味は、6連勝を狙う光一の車・白い惑星を破壊。お茶の水はアトムの電子頭脳を白い惑星に使おうとするが、レース中に白い惑星を壊そうとする一味の工作をアトムが阻止。光一は妹の光子が実はロボットで、予備電子頭脳だったことを知る。核魚雷にも耐え、優勝する白い惑星。