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。
矢岛晶子 楢桥美纪 藤原启治 兴梠里美 真柴摩利 林玉绪 一龙斋贞友 佐藤智惠 户田惠子 来宫良子 此岛爱子 野上尤加奈 折井步 大岛麻衣 松山鹰志 西村朋纮 江川央生 长嶝高士 大西健晴 高城元气 浦野一美 野吕佳代 玄田哲章 小樱悦子 京本政树
花江夏树 鬼头明里 下野纮 松冈祯丞 日野聪 平川大辅 石田彰 樱井孝宏 小西克幸 早见沙织 铃村健一 关智一 杉田智和 森川智之 佐藤利奈 三木真一郎 桑岛法子 本渡枫 大地叶 小原好美 古贺葵 小山力也 丰口惠美 榎木淳弥 伊濑茉莉也 笠间淳 千本木彩花 江口拓也 山村响 广濑裕也 高桥伸也 秋保佐永子 仲村宗悟 中惠光城
松本梨香 大谷育江 石冢运升 饭冢雅弓 上田祐司 关智一 矢岛晶子 林原惠美 三木真一郎 犬山犬子 丰岛雅美 白石文子 西村千奈美 兴梠里美 金井美香 爱河里花子 小樱悦子 小西克幸 泽海阳子 坂口候一 竹中直人 药丸裕英 加藤爱 山寺宏一