In einer kleinen, bunten Hügelstadt, in der Menschen und Roboter Seite an Seite leben, erkundet der fünfjährige Roboterjunge Astro seine Welt mit Hilfe seiner Robotereltern, seines Mentors Dr. OShay und einer Gruppe älterer menschlicher Freunde. Astro wirkt wie ein normales, verspieltes Kind, doch er besitzt unglaubliche Stärke und die Fähigkeit zu fliegen. Seine aufgeweckte und neugierige Art führt ihn und seine Gefährten oft zu aufregenden Abenteuern und neuen Entdeckungen über die Welt um sie herum.

Die Stadt beherbergt auch den in einer Villa lebenden Verbrecher Hamegg, der Astros Fähigkeiten beneidet. Zusammen mit seinen beiden Komplizen, dem Wissenschaftler Dr. Flau und einem großen lila Gorilla-Roboter namens Gora, ersinnt Hamegg ständig alberne und unbeschwerte Pläne, um Astro und seine Freunde auszutricksen, zu übertreffen oder sogar zu beeindrucken. Im Gegensatz zu den ernsteren Schurken früherer Astro Boy-Geschichten werden Hamegg und seine Handlanger als komisch und tollpatschig dargestellt. Jede Episode endet typischerweise damit, dass Astro ihre Pläne erfolgreich vereitelt oder beide Seiten unerwartet zusammenarbeiten.

Zur Besetzung der Serie gehören Astros menschliche Freunde Ken, ein athletischer Anführer; Mitchy, ein Mädchen mit langen lila Haaren; und Paul. Dr. OShay, ein freundlicher Professor, lebt in einem teekannenförmigen Haus und fungiert als Astros Führer, während Hamegg in einem schweineförmigen Schloss residiert, wobei viele seiner Geräte und Kulissen ebenfalls einem Schweinemotiv folgen. Neue Charaktere, die für diese Serie geschaffen wurden, sind Reggie der Reparaturroboter, Pikko der schwebende Lehrerroboter und Tac, ein überfressender Auto-Roboter.

Über ihre acht Episosen hinweg folgt die Geschichte den Reisen der Gruppe durch verschiedene alltägliche Abenteuer. Diese reichen davon, dass Astro Rennfahrer wird und ins Weltall fliegt, bis hin zum Lernen über Recycling und Sauberkeit. Der Ton bleibt durchweg fröhlich und lehrreich, wobei jede Folge eine positive Botschaft vermittelt, die für kleine Kinder geeignet ist. Die Serie ist als Edutainment konzipiert und konzentriert sich auf Themen wie Zusammenarbeit, Neugier und Lernen, während Astro und seine Freunde mutig Herausforderungen meistern und die Werte und Wunder der Welt entdecken.