人間のすべての世話をロボットがしてくれる未来の空中都市・メトロシティ。科学省長官のテンマ博士（声：ニコラス・ケイジ）の息子・トビー（フレディ・ハイモア）は、父親似の優秀な少年だった。ある日、トビーは父親の研究を見ようと科学省に行き、ロボット兵器“ピースキーパー”の実験施設に潜り込む。しかし実験中に思わぬ事故が発生し、それに巻き込まれたトビーは命を落とす。テンマ博士は、トビーを最新型ロボットとしてよみがえらせようとする。テンマ博士はトビーにそっくりなロボットの人工頭脳に、トビーのDNAから採取した記憶をアップロードする。そして、仲間のお茶の水博士（ビル・ナイ）が開発した究極のエネルギー“ブルーコア”を搭載した。目を覚ましたロボットのトビーは、元の息子とはどこか違う。テンマ博士の想いは日に日に強まっていき、ついにトビーを追い出してしまう。居場所のなくなったトビーは、地上にたどりつく。そこは、メトロシティから捨てられたロボットが集まる場所だった。トビーはさまよいながら、コーラ（クリステン・ベル）をはじめとする人間の子供たちと出会う。トビーはロボットであることを言えず、アトムと名乗り、人間として彼らと暮らし始める。メトロシティのストーン大統領（ドナルド・サザーランド）は、地上との戦争を企んでいた。そして最新兵器を造るためブルーコアを入手しようと、軍を総動員してアトムの捜索を開始する。捕らえられたアトムは、テンマ博士と再会を果たす。アトムは博士に、本当の息子になれなかったことを詫びる。博士の脳裏に、トビーの思い出がよみがえる。ストーン大統領はアトムを破壊するため、もう1つの新エネルギー“レッドコア”をピースキーパーに使う。アトムはみんなを守るため、暴走する敵に立ち向かう。