多田光良(中村悠一配音)是一位平凡的高中二年级学生,祖父经营着一间和他同名的咖啡店。多田的梦想是能够成为一名摄影师,因为这是他已故的父亲的职业,多田希望自己有朝一日能够继承父亲的衣钵。一次偶然之中,多田在街上邂逅了名为特蕾莎(石见舞菜香配音),特蕾莎是一位金发碧眼的德国女孩,来到日本留学。 多田帮助了迷了路又与同伴走散的特蕾莎,并将她带到了祖父的咖啡店中,令特蕾莎对他产生了深刻的印象。之后,特蕾莎成为了多田的同班同学,并结识了个性大大咧咧十分喧闹的伊集院薰(宫野真守配音)、脑袋里不知道在想些什么的杉本一(梅原裕一郎配音)等人。。在未来世界,由于痛失爱子,天才科学家天马博士(尼古拉斯·凯奇 Nicolas Cage 配音)创造出了机械人阿童木(弗莱迪·海默 Freddie Highmore 配音),想以此来作为儿子的替身,寻找安慰。虽然,阿童木拥有博士儿子的情感和记忆,而且先进的程序还在不断完善其情绪,并让他富有同情心。可是,博士始终无法接受失子之痛,对阿童木也不能正确对待,并认为他不是人类而将其抛弃。阿童木沦落为无家可归的流浪儿,而且还备受军方的四处通缉,并最终被抓住。军方要求天马博士拿掉阿童木的能源,让它变成军方机器人的能源配备。在最后时刻,天马博士突然醒悟,并协助阿童木逃走。面对军方的围追堵截,阿童木奋起反抗,最终一场惊世大战一触即发。在不断的旅行过程中,阿童木也逐渐成长,他也接受了自己这机械与人类结合的设计,并肩负起全人类生死存亡的重任。。