Dr Tenma, główny naukowiec Ministerstwa Nauki, powraca z tajemniczą cyfrową genomową mózgu, którą zdobył podczas lotu powietrznego. Podejmując podróż na Marsa, dr Tenma łączy zdobyty genom z ciałem robota, próbując przekroczyć granicę między człowiekiem a maszyną. Zrozpaczony po utracie ukochanego syna, Tobio, który zginął w wypadku, Tenma podejmuje desperacką próbę przywrócenia go do życia dzięki najnowszym osiągnięciom technologii.
Akcja anime rozgrywa się w futurystycznym świecie, gdzie sztuczna inteligencja i zaawansowana robotyka współistnieją z ludzkością. Głównym bohaterem jest Atom – robot o wyglądzie chłopca, wyposażony w niezwykłą inteligencję i ludzkie uczucia. Centralnym konfliktem są pytania o tożsamość, człowieczeństwo oraz konsekwencje ingerencji człowieka w naturę życia. Seria utrzymana jest w melancholijnym, refleksyjnym tonie, jednocześnie ukazując przygody i trudności Atom próbującego odnaleźć swoje miejsce w świecie ludzi i maszyn.
