ロボットによって全ての世話をしてくれる夢のような空中都市メトロシティ。そこで生活をしているテンマ博士の息子トビーは、ピースキーパーの実験中の事故によって命を落としてしまう。 悲嘆にくれるテンマ博士はトビーの姿と記憶を持ち、究極のエネルギー『ブルーコア』を搭載した人間にそっくりなロボットを作り上げた。しかし、息子として迎え入れたもののどこか本物とは違うことを痛感したテンマ博士は彼を拒絶してしまう。 自分がロボットであることを知りブルーコアを狙うストーン大統領にも追われ地上へ落ちた彼は、コーラたち地上に住む子供達と出会い「アトム」と名乗り、自分の居場所を探すために彼らと暮らすこととなった。

元々は軍事用ロボットだが、落雷によるショート・サーキット（回路不良）で感情を持ってしまったナンバー・ファイブ。以前は工場から逃げ出す騒動を起こしたが、今や人間たちにもなじんでジョニー5というニックネームで呼ばれる。NYでジョニー5のおもちゃを作って売っているベンはデパートで働くサンディの依頼を受け、おもちゃをひと月で1000体作ることに。そこに本物のジョニー5が現われ、おもちゃ作りを手伝うことに。

どこにでもいそうな11才の少年ジミー・ニュートロン。だがそんな彼はなんとIQ302の天才発明家でもあった。今、地球人の大人がタマゴ星の神ニワトラーの生け贄にされようとしている。この危機から地球を救うため、ジミーはロケットで出発。タマゴ星のガーボッド王に挑む。

1939年、ニューヨーク万国博覧会の年。ＮＹクロニクル紙の敏腕新聞記者ポリー・パーキンスは、著名な科学者が連続して失踪している事件の調査に、独自で乗り出していた。そんな彼女の目に信じられない光景が飛び込んでくる。世界中の大都市に奇妙な巨大ロボット軍団が飛来し人間を襲い始めた。