因为一次意外，天才科学家天马博士失去了最亲爱的儿子托比，悲痛欲绝的他萌生了复制儿子的想法，经过一番努力，他成功创造了机器人托比，并给他装有茶水博士发明的最强大的蓝核能源，让他和人一样拥有喜怒哀乐，而且还有天马博士儿子托比的全部情感与记忆。但这却无法令抑郁的天马博士重展欢颜，博士终于将他遗弃了。知道了自己身份的托比复制品不得不离开天马博士的家，孤身一人寻找适合自己身份的生活。
　　总督为了抢到托比复制品身上的蓝核，不惜动用大量机器人来干掉他，寡不敌众的他摔到废铁岭，也就是机器人垃圾站，面对着缺胳膊少腿儿，和他抢电池的机器人，他心头袭来一阵恐惧。就在这时，会汪汪叫的垃圾桶带着他认识了阿赛、歌娜、咚咚、泥巴等小孩子，就在他不知怎样开口介绍自己时，机器人三剑客抢走了他。
　　滑稽搞笑的三剑客给托比复制品取了一个新潮又有点儿可爱的名字——阿童木，并欢迎他加入拯救机器人计划。其实按照机器人不得伤害人类的定律，他们所谓的宏伟计划不过是等机器人的天敌哈马露面时用羽毛挠他痒痒。在三剑客对他们宏伟计划滔滔不绝时，歌娜等小孩子救走了阿童木，并把他介绍给了哈马。
　　阿童木看到的哈马会修理各种各样的机器人，他热爱机器人，完全不是三剑客说的那个样子。哈马的幽默健谈和蔼可亲都让阿童木感动，他几次想说出自己的机器人身份，但一想到这样会被冷落和抛弃，他就又把到嘴边的话咽了回去。和他们相处的日子里，阿童木用他的能量帮助别人，他帮助打越洋电话的歌娜收集信号，用蓝核能量激活了已经沉睡了一百年的有巨大身躯的机器人佐格。
　　当阿童木和歌娜等一行小孩子站在佐格的肩膀上来到哈马面前的时候，哈马惊讶得差一点儿掉了下巴，还好身旁的机器人及时帮他收上。他们帮佐格清洗、刷漆，忙得不亦乐乎，就在这时歌娜不小心从巨大的佐格身上掉了下来，阿童木没有多想就飞上去接住了她，让这次事故有惊无险。
　　但是哈马也从这些事情上识别了阿童木机器人的身份。他残忍地对阿童木下手，让他参加互相残杀的机器人大赛。阿童木不想打架，只是一味躲闪，不得已才打败了围攻的机器人。然而最后出场的竟然是佐格，阿童木不忍心和佐格对决，他一把扯下战衣，感动得佐格和他握手言和。坚信机器人没有情感的哈马使出杀手锏逼他们战斗，气愤的佐格要将哈马踩在巨足之下，阿童木不计前嫌用身体挡住哈马，哈马获救，阿童木也赢得了小孩子的欢迎和接受。
　　与此同时，总督强迫天马博士从阿童木身上取出蓝核，但是天马博士被阿童木的友爱精神感动，决定放走他。气急败坏的总督将负能量超大的红核装进机器人终极战士。终极战士摧毁了楼房，搅得天无宁日。阿童木决定肩负起拯救人类的重任。
　　阿童木铁臂上生出双炮，屁股上也长出双枪，可是还是敌不过凶猛的终极战士。当他得知自己的蓝核和终极战士的红核能量相克时，为了维护地球的和平和安宁，他决定牺牲自己，和终极战士同归于尽。
　　蓝核能量消失了，阿童木死了，人类一片悲伤。就在这最后的时刻，佐格用自己身上的蓝核能量重新激活了阿童木，使他重获新生。阿童木用自己的精神赢得了友情、亲情和爱戴。他义无反顾地做起了地球最忠诚的卫士。