天馬博士是一位制造機器人的專家。一天，他接到妻子打來的緊急電話，而且聽到妻子哭泣的聲音，她斷斷續續地說：“我們的兒子飛雄被汽車撞了，你趕快回來！”

天馬博士大吃一驚，立即乘車趕到醫院，只見他妻子抱著兒子在號啕大哭。原來，他的獨生兒子已經死了。天馬博士肝腸寸斷，為了安慰妻子，他決心制造一個像飛雄一樣的機器人來當兒子。

制造一個機器人要花費很多錢。天馬博士拿出全部積蓄，還是不夠。這時，住在美國的日本人須井柄知道這個消息后，愿意向天馬博士捐贈巨款，可是有個條件：機器人造好后，必須借給須井柄一天。天馬博士同意了。

不久，飛雄就制造成功了。這個機器人能看，能聽，能笑，還能叫爸爸、媽媽。天馬博士夫婦倆真是高興極了。

第二天清晨，飛雄醒來后，伸手一拉窗簾，就把窗簾拉壞了。天馬博士說：“他剛造出來不久，還不會調節自己的力氣呢。”

早飯后，爸爸和飛雄去買衣服。普通的衣服，飛雄一穿就破。爸爸對店主說：“還是給他一套用樹脂做成的特殊衣服吧！”

飛雄很愛看書，而且速度特別快，不到一個小時，就把許多書都看完了。飛雄想和機器人一起玩耍，可是機器人一見到他，卻躲得遠遠的。飛雄很納悶，后來才知道這些機器人很怕飛雄的爸爸，爸爸認為機器人是奴隸。飛雄因此悶悶不樂，回到家里問媽媽：“媽媽，你說我是人，還是機器人？”媽媽說：“傻孩子，你是我兒子。”飛雄卻認為媽媽在騙他。

飛雄很愛洗冷水澡，爸爸認為這是胡來。因為機器人里面有許多電子線路，遇水會短路，發生故障。有一天，媽媽去上班，忽然下起了暴雨，飛雄立刻從窗口騰空飛了出去。爸爸急忙問道：“你去哪兒？”飛雄一邊飛一邊回答：“去接媽媽。”爸爸不禁嘆口氣說：“他雖然像人，但畢竟和人不一樣，是一個高級機器人。”

飛雄出世已經一個月了。須井柄根據約定，向飛雄的爸爸借飛雄。在這一天里，飛雄見了不少世面，長了很多知識。

須井柄把飛雄帶到美國。在辦公室剛剛坐定，門鈴響了，機器人貝利走了進來。須井柄為他們作了介紹，飛雄見到機器人同伴非常高興。奇怪的是，貝利頭上居然沒有頭發，一問才知道，頭發都被人拔光了。須井柄告訴貝利：“外面有人要來抓你。”貝利說：“我不怕，我好不容易爭取到戶口。今天我要去登記。”須井柄讓飛雄保護貝利去登記，并說：“飛雄，若有人搗亂，你就替我干掉他！”

飛雄和貝利來到市府大樓，市長給貝利報上了戶口。正在這時，外面來了不少人。叫嚷著：“貝利，你這個臭奴隸，臭機器人！”市長忙對貝利說：“你還是從后門出去吧，從正門出去你會被砸爛的。”貝利卻說：“我必須從正門出去，我已經是人了，誰傷害我，誰就會犯法。”貝利剛走出市府大樓，就被一群人包圍。那些人使勁折他的腦袋、身體和四肢。飛雄在高空中，實在沒有辦法保護貝利，只能眼睜睜地看著他受傷害。

人們還不罷休，來到須井柄辦公室，責問他為什么要和機器人在一起。須井柄早有準備，大喊一聲：“你們誰敢過來？”說罷，拉開西服，露出腰間的手榴彈，那些人全都嚇跑了。

一天的時間到了，臨別前須井柄對飛雄說：“幾分鐘后，你就回到日本了。我忠告你，快離開天馬博士！因為他把你當做工具，今后你會受苦的。”飛雄卻回答說：“不，他是我爸爸”。

飛雄回到日本后，天馬博士首先問他，須井柄讓他干什么？飛雄回答說：“沒干什么。”

媽媽很想念飛雄，說：“你出去一天，我覺得好像過了一年。”爸爸問飛雄：“你怎么老是長不高呢？”飛雄調皮地伸長了彈簧脖子，爸爸見狀卻發怒了：“我不喜歡你這樣的妖怪。”晚上，天馬博士對妻子說：“我要毀掉那個妖怪。”媽媽說：“太殘忍了，當時你為什么要制造他？”

第二天，飛雄要求爸爸讓他上學，爸爸不理他。飛雄說：“你不是說過我是個好孩子嗎？”爸爸說：“我早就忘了，你不過是我研究的工具。”不久，天馬博士就把飛雄賣給了馬戲團老板。

馬戲團老板給飛雄又取了一個名字，叫“阿童木”，然后讓他表演10萬馬力砸爛一個機器人。阿童木在觀眾中發現了媽媽，他高興極了。

阿童木實在不忍心用10萬馬力砸爛那個機器人，于是用假拳擊來應付。馬戲團老板看出了阿童木的心思，用電鞭子抽打他。阿童木從心里恨透了馬戲團老板。這時，飛雄的媽媽想見見兒子，可馬戲團老板堅決不同意。

被馬戲團老板打得殘廢的機器人看到阿童木的處境，勸他趁早逃跑。可是，阿童木的一塊能量讓老板取走了，能量不夠，飛不起來，只好從下水道逃走了。

一個商人發現了阿童木，把他賣給了茶水博士。茶水博士是個好心人，對阿童木說：“我這里很安全，你就放心地待在這里吧。”

不久，茶水博士接到一個電話，說阿童木的媽媽出了車禍。阿童木一聽，嚷嚷著要去看媽媽。其實，這是馬戲團老板探聽到消息后，設下的騙局。

阿童木回到馬戲團后，老板又強迫他表演鉆火圈。沒想到，表演時發生了火災。阿童木急中生智，把老板救了出來。馬戲團老板卻恩將仇報，把阿童木放在柜子里鎖了起來。茶水博士得知后，悄悄將阿童木偷了出來。

恰在這時，從外星發來一份緊急電報，說一艘地球飛船遭到了宇宙菌的侵襲，機器人紛紛死亡。茶水博士便派阿童木前去搶救。

阿童木到了外星，馬上投入了搶救工作，很快就消滅了宇宙菌。阿童木與其他機器人互相配合，相處得很好。

從外星返回以后，茶水博士專門為阿童木制造了一對機器人，告訴阿童木說：“這就是你的新爸爸和新媽媽。”阿童木非常高興。

從此，阿童木一家永遠團聚在一起了。