Tobio, der Sohn von Doktor Tenma, kommt im Jahr 2003 bei einem Verkehrsunfall ums Leben. Da der Professor über den Tod seines einzigen Sohnes nicht hinwegkommt, erschafft er mit Hilfe modernster Technik den Androiden Astro Boy, der Tobio ähnlich sieht. Als er jedoch feststellt, dass Astro Boy nicht älter werden kann, verstößt er ihn.

Der Wissenschaftler Professor Ochanomizu rettet Astro Boy aus einem Roboterzirkus, schenkt ihm Superheldenfähigkeiten und erschafft für ihn eine Roboterfamilie. Astro Boy muss immer wieder schwierige Aufgaben lösen. Dabei tritt er Krieg und Unrecht entgegen und kämpft für Frieden.

Die von Tezuka zunächst angedachte Gagstrip-Reihe Ambassador Atom hatte im Magazin Shōnen keinen Erfolg. Auf den Rat seines Redakteurs entwarf er die Serie als langangelegte Abenteuergeschichte neu, in der der Schwerpunkt statt auf den Witzen auf der Erzählung lag. Der dabei entstandene Tetsuwan Atomu wurde bald ein großer Erfolg.Der Stil des Mangas ist, wie andere frühe Werke Tezukas, noch stark vom Stil der Disney-Filme beeinflusst.

Die Leser des Shōnen-Magazins konnten sich aktiv an Abstimmungen über die Serie beteiligen, was dazu führte, dass das Aussehen von Astro Boy im Laufe der Manga-Serie mehrfach überarbeitet wurde.

Astro Boy erschien in Japan von April 1952 bis 1968 in Fortsetzungskapiteln im Manga-Magazin Shōnen des Verlags Kōbunsha. Später erschien der Manga in insgesamt 23 Sammelbänden.

Das Werk erschien auf Französisch bei Glénat, später Kana und Panini, auf Englisch bei Dark Horse Comics, Spanisch bei Glénat España und Portugiesisch bei Planet Manga. Es wurde außerdem unter anderem ins Schwedische, Niederländische und Dänische übersetzt.

Auf Deutsch veröffentlichte Carlsen Comics ab 2000 insgesamt 21 Sammelbände.