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。
美山加恋,优香,坂口芳贞,谷育子,小川刚生,荒川大三郎,藤井皓太,桥本佳月,山本道子,中博史,高桥耕次郎,冈田吉弘,前田义信,福岛桂子,山口登,细谷佳正,宫崎宽务,光藤真白,高田始圣,田中绫,藤村天羽,武田幸史,岛崎信长,长岛雄一,山寺宏一,西田敏行
竹内顺子,植木诚,铃木真仁
三木真一郎,子安武人,关智一,細井治,矢尾一树,岩田光央,高木涉,有本钦隆,石冢运升
松冈由贵,杉田智和,平野绫,小野大辅,茅原实里,后藤邑子,桑谷夏子,白石稔,绪方贤一,小伏伸之
冈本信彦,堀江瞬,日笠阳子,早见沙织
长谷川育美,岛崎信长,伊濑茉莉也,土岐隼一,立花慎之介,小野大辅,福原克己
