阿童木一直以为自己的名字是天马杜比，是大都会最出色的科学家天马博士的十三岁儿子。其实，他是一个最先进的机械人，是博士依照其于实验室意外身亡的爱儿外貌及性格创造。由于阿童木无法满足博士的期望，因此惨遭博士遗弃。阿童木不仅无法接受父亲不再爱自己，更要承受自己不是人类的可怕事实。究竟他是谁？他又能在何处容身？大都会的史东总统极欲将阿童木的超能力变成杀人武器。阿童木在“地面”流落，加入了一批以收集机械人零件的童党。他假装成人类并赢得一众小孩的信任，其中包括比他年长的女孩歌娜。但童党首领哈马发现了阿童木的真正身份，并逼他成为斗士，参加极度凶残的机械擂台。阿童木被史东总统拘捕并带回大都会，并安排天马博士负责将阿童木的能源关掉。阿童木已是万念俱灰，只因他已成为无家可归的孤儿。

天马博士是个毕生钻研先进机械人的科学家。他设计的多项尖端科技对大都会成为乌托邦实在功不可没。博士生命唯一的温暖来自他挚爱的儿子杜比，而他也跟其父一样热爱科学及拥有火爆的性格。当杜比因一次实验室意外而身亡，博士伤心欲绝。他决定要创造一个儿子的替身，一个拥有杜比的外貌与记忆的机械人。他更游说同是科学家的茶水博士，利用对方新研制的蓝核能量作为机械人的能源。天马博士的发明终于成功了，但这个新儿子阿童木却跟杜比大不相同。阿童木性格冲动、贪玩、更对家中的其它机械人充满同情心。天马因爱子成狂，无法看见阿童木可贵的一面，竟决定要将他废弃。当阿童木得知博士不再爱他，而且自己甚至不是人类时，他决定离家出走。其后，天马博士终于发觉自己一直低估了自己创造的机械男孩。两父子最后终于团圆并和好如初，令人感动。

茶水博士的外型像是被压扁的爱恩斯坦。他是个充满神经质及理想的科学家，也是天马博士于科学省的同事。当他发现自己发明的蓝核能量被史东总统的军队抢走，令茶水大为震惊。尽管阿童木的超凡机械设计来自天马博士，但他的人性却来自善良的茶水博士。茶水就像是对阿童木关怀备至的叔父，对这个机械人的了解甚至比他父亲更深。

柯娜是以哈马为首的童党里其中一员。这个十七岁的少女既漂亮又足智多谋，俨如众小童的母亲一般。当阿童木初遇歌娜，她装作鄙视这个小孩及大都会的一切。阿童木担心揭露自己的身份，因此装作自己是个普通的孩子。其实柯娜也同样隐藏一个秘密：她亦是从大都会离家出走，并且非常挂念父母。当阿童木帮助她致电回家，两个互不相干的人开始变成好友。但其后哈马揭穿阿童木的机械人身份，令柯娜非常伤心。不过，阿童木在格斗场上展现的无私性格，令柯娜发现对方毫不简单。在拯救大都会的决战中，柯娜奋力营救阿童木。她最后终能和父母团聚，但女儿的好朋友竟是个机械人，却令爸妈啼笑皆非。

史东总督天生与冲突挂钩，他在任何地方都会找到它；假使没有冲突，他也精于挑起祸端。史东身为大都会的军队总司令，对于毫无敌人而感到沉闷。他决定与“地面”来场军备竞赛。他一心想获取作为阿童木能源的蓝核能量，作为他的机械士兵“和平战士”的能源。史东为人猜疑与狂暴，他偏离的逻辑有如导演寇比力克的作品《密码一一四》。在他眼中到处都有敌人，而且他亦相信大都会的存亡在于比敌人早一步想到下一步。史东能够随时单手将大都会摧毁，无论是拗手瓜还是投掷原子弹，他都会去得最尽。当他最后大失常性时，他的逻辑其实跟他在位时相差无几。