天马博士是一位制造机器人的专家。一天，他接到妻子打来的紧急电话，而且听到妻子哭泣的声音，她断断续续地说：“我们的儿子飞雄被汽车撞了。你赶快回来！”
天马博士大吃一惊，立即乘车赶到医院，只见他妻子抱着儿子在号啕大哭。原来，他的独生儿子已经死了。天马博士肝肠寸断，为了安慰妻子，他决心制造一个像飞雄一样的机器人来当儿子。
制造一个机器人要花费很多钱。天马博士拿出全部积蓄，还是不够。这时，住在美国的日本人须井柄知道这个消息后，愿意向天马博士捐赠巨款，可是有个条件：机器人造好后，必须借给须井柄一天。天马博士同意了。
不久，飞雄就制造成功了。这个机器人能看，能听，能笑，还能叫爸爸、妈妈。天马博士夫妇俩真是高兴极了。
第二天清晨，飞雄醒来后，伸手一拉窗帘，就把窗帘拉坏了。天马博士说：“他刚造出来不久，还不会调节自己的力气呢。”
早饭后，爸爸和飞雄去买衣服。普通的衣服，飞雄一穿就破。爸爸对店主说：“还是给他一套用树脂做成的特殊衣服吧！”
飞雄很爱看书，而且速度特别快，不到一个小时，就把许多书都看完了。飞雄想和机器人一起玩耍，可是机器人一见到他，却躲得远远的。飞雄很纳闷，后来才知道这些机器人很怕飞雄的爸爸，爸爸认为机器人是奴隶。飞雄因此闷闷不乐，回到家里问妈妈：“妈妈，你说我是人，还是机器人？”妈妈说：“傻孩子，你是我儿子。”飞雄却认为妈妈在骗他。
飞雄很爱洗冷水澡，爸爸认为这是胡来。因为机器人里面有许多电子线路，遇水会短路，发生故障。有一天，妈妈去上班，忽然下起了暴雨。飞雄立刻从窗口腾空飞了出去。爸爸急忙问道：“你去哪儿？”飞雄一边飞一边回答：“去接妈妈。”爸爸不禁叹口气说：“他虽然像人，但毕竟和人不一样，是一个高级机器人。”
飞雄出世已经一个月了。须井柄根据约定，向飞雄的爸爸借飞雄。在这一天里，飞雄见了不少世面，长了很多知识。
须井柄把飞雄带到美国。在办公室刚刚坐定，门铃响了，机器人贝利走了进来。须井柄为他们作了介绍，飞雄见到机器人同伴非常高兴。奇怪的是，贝利头上居然没有头发，一问才知道，头发都被人拔光了。须井柄告诉贝利：“外面有人要来抓你。”贝利说：“我不怕，我好不容易争取到户口。今天我要去登记。”须井柄让飞雄保护贝利去登记，并说：“飞雄，若有人捣乱，你就替我干掉他！”
飞雄和贝利来到市府大楼，市长给贝利报上了户口。正在这时，外面来了不少人。叫嚷着：“贝利，你这个臭奴隶，臭机器人！”市长忙对贝利说：“你还是从后门出去吧，从正门出去你会被砸烂的。”贝利却说：“我必须从正门出去，我已经是人了，谁伤害我，谁就会犯法。”贝利刚走出市府大楼，就被一群人包围。那些人使劲折他的脑袋、身体和四肢。飞雄在高空中，实在没有办法保护贝利，只能眼睁睁地看着他受伤害。
人们还不罢休，来到须井柄办公室，责问他为什么要和机器人在一起。须井柄早有准备，大喊一声：“你们谁敢过来？”说罢，拉开西服，露出腰间的手榴弹。那些人全都吓跑了。
一天的时间到了，临别前须井柄对飞雄说：“几分钟后，你就回到日本了。我忠告你，快离开天马博士！因为他把你当作工具，今后你会受苦的。”飞雄却回答说：“不，他是我爸爸”。
飞雄回到日本后，天马博士首先问他，须井柄让他干什么？飞雄回答说：“没干什么。”
妈妈很想念飞雄，说：“你出去一天，我觉得好像过了一年。爸爸问飞雄：“你怎么老是长不高呢？”飞雄调皮地伸长了弹簧脖子，爸爸见状却发怒了：“我不喜欢你这样的妖怪。”晚上，天马博士对妻子说：“我要毁掉那个妖怪。”妈妈说：“太残忍了，当时你为什么要制造他？”
第二天，飞雄要求爸爸让他上学，爸爸不理他。飞雄说：“你不是说过我是个好孩子吗？”爸爸说：“我早就忘了，你不过是我研究的工具。”不久，天马博士就把飞雄卖给了马戏团老板。
马戏团老板给飞雄又取了一个名字，叫“阿童木”，然后让他表演10万马力砸烂一个机器人。阿童木在观众中发现了妈妈，他高兴极了。
阿童木实在不忍心用10万马力砸烂那个机器人，于是用假拳击来应付。马戏团老板看出了阿童木的心思，用电鞭子抽打他。阿童木从心里恨透了马戏团老板。这时，飞雄的妈妈想见见儿子，可马戏团老板坚决不同意。
被马戏团老板打得残废的机器人看到阿童木的处境，劝他趁早逃跑。可是，阿童木的一块能量让老板取走了，能量不够，飞不起来，只好从下水道逃走了。
一个商人发现了阿童木，把他卖给了茶水博士。茶水博士是个好心人，对阿童木说：“我这里很安全，你就放心地待在这里吧。”
不久，茶水博士接到一个电话，说阿童木的妈妈出了车祸。阿童木一听，嚷嚷着要去看妈妈。其实，这是马戏团老板探听到消息后，设下的骗局。
阿童木回到马戏团后，老板又强迫他表演钻火圈。没想到，表演时发生了火灾。阿童木急中生智，把老板救了出来。马戏团老板却恩将仇报，把阿童木吊在柜子里锁了起来。茶水博士得知后，悄悄将阿童木偷了出来。
恰在这时，从外星发来一份紧急电报，说一艘地球飞船遭到了宇宙菌的侵袭，机器人纷纷死亡。茶水博士便派阿童木前去抢救。
阿童木到了外星，马上投入了抢救工作，很快就消灭了宇宙菌。阿童木与其他机器人互相配合，相处得很好。
从外星返回以后，茶水博士专门为阿童木制造了一对机器人，告诉阿童木说：“这就是你的新爸爸和新妈妈。”阿童木非常高兴。
从此，阿童木一家永远团聚在一起了。