登場人物
いわゆる手塚スターシステムの他、本作完全オリジナルの欧米人キャラクターも多い。また、ほとんどの人間は欧米人風に、ロボットはカートゥーン風のデザインにリメイクされている。
◎は原作キャラクター、☆は他作品の手塚スターである。
アトムの家族
◎アトム
世界最高の人工頭脳を持ち、人間同様の心を備えたロボット。科学省の総力を結集し、莫大な予算と最新技術の全てをかけ、開発された。生みの親である天馬博士の亡き息子、天馬トビオを模している。お茶の水博士の家に同居。純粋で心優しく、大きな正義感を持つ。ロボットと人間が友達でいられる世界を目指している。
本作では、10万馬力のパワーより、むしろ飛行能力やスピードを生かした軽快なアクションが多い（また「力負け」してピンチに陥ることも多い）。
◎お茶の水博士（おちゃのみずはかせ）
ロボット科学者で、科学省長官。進化していくロボットの中に｢心の芽生え｣をいち早く感じ取り、ロボットにも人権が必要だと考え始める。｢ロボットは人間の友達｣という理念の持ち主。
◎ウラン
お茶の水博士によって制作されたアトムの妹ロボット。5万馬力のパワーを持つが、アトムのように飛行能力や武器は持たない。甘えん坊でワガママな性格で時々アトムを困らせるが、心優しい一面も。アトムを兄として慕い誇りに思っているが、兄と比較されることを極端に嫌う。今作では動物とのコミュニケーション能力を持つ。
如月 夕子（きさらぎ ゆうこ）
アニメオリジナルキャラクター。科学省秘書官。お茶の水博士のスケジュールは、仕事から休養まで管理している。モモを傍らに連れ、颯爽とエアカー（モデルは三菱・グランディスであり、実車とのタイアップ企画「アトム･チャリティー」も実施）を乗り回し、てきぱきと仕事をこなす。感動しやすく、涙もろい。
モモ
最新式のダチョウ型モバイルロボットで、夕子の補佐役兼ペット。仕事の資料は全てモモのコンピュータの中に入っている。モニター画面を開けば、お茶の水博士のスケジュール、健康管理資料など、全て一目瞭然。ウランの遊び相手となることが多い。
☆ロビタ
お茶の水邸の家事一切を仕切る家事ロボット。アトムやウランの育児兼教育ロボットの役割も果たす。お茶の水博士の世話と併せて、多忙を極める。
友人・協力者
◎タマオ
アトムの小学校のクラスメート。自宅のエアペダロを帆船に改造してしまうほどのメカマニア。ロボットも大好きで、アトムという友達が出来たことを誇りに思っている。慌てもので、お人よし。
本作では今風のファッションをしているが、トレードマークの丸眼鏡はそのまま。
◎ケンイチ
アトムの小学校のクラスメート。小柄だが、利発でみんなのまとめ役になる事が多い。ロボットであるアトムに偏見を持たず、人間と同じように接する。ロボットであるためにアトムが受ける寂しさを思いやり、本来は参加できない運動会などの競技に参加させてあげようとするなど、優しい心の持ち主。将来の夢はサッカー選手。
本作では、ラテン系かアフリカ系を思わせるかなり浅黒い肌にリニューアルされている。
◎シブガキ（四部垣）
アトムの小学校のクラスメート。父親の影響でロボットを人間のために働く機械だと考えていたため、最初はアトムに対してつらくあたるが、アトムが自分を助けようとしてくれた事で気持ちが変わり、親しくなっていく。大柄だが意外と臆病。単純で憎めない性格。
本作では金髪碧眼・ソバカスに出っ歯と、白人風の顔立ちへと大幅にリニューアルされている。原作の様にアトムを邪険にする事は、最初を除いて皆無。
リノ
両親に捨てられ、11年間ロボットサーカス団のメンバーに育てられたことで、ロボットを家族の様に大切に思っている。ある事件でアトム達に出会い、お茶の水博士にロボット工学の素質を買われ、メトロシティでロボット工学の勉強をしている。
ロボタニア騒動の際には、ロボットと全面戦争しようとするレッド将軍を止める為に、彼の娘であるエナを連れて、決戦の場となる南極へ向かう行動力を見せる。
エナ
地球連邦軍の将軍であるレッドの娘。ロボットに極端な偏見を持つ父親とは対照的に、ロボットに対しても分け隔てなく接する心優しい少女。執事として働くAIロボット・キップを大切にしているが、彼を強引に追い出そうとした父･レッド将軍に抗議しようとしたことが思わぬ事故を招いてしまい、昏睡状態になった上にレッド将軍がAIロボットやロボタニアの排除に乗り出してしまうことになる。
昏睡からの覚醒後、リノから事情を聞き、暴走するレッド将軍を止めるべく、彼と共に南極のロボタニアへ向かう。
庭野 ミドリ（にわの ミドリ）
アトムたちが通う小学校の教師。ロボット博覧会でロボットに歌を歌ったり、アトムの担任になったりと、ロボットとは何かと縁が深い。
◎ヒゲオヤジ
如月夕子の叔父で、メトロシティの下町に事務所を構える古風すぎる私立探偵。本名は伴 俊作（ばん しゅうさく）。目新しい今風のもの全般が嫌いで、ロボットも嫌いだと公言しているが、気が合えばロボットでも動物でも仲良くなれる。アトムやウランと共に事件を解決したこともある。並外れた洞察力の持ち主で、推理力もかなりのもの。ハードボイルドな探偵を気取っているが、多少ドジなところがある。
◎田鷲（たわし）
メトロシティ警察の警部。事件解決のために、アトムに協力を要請することもあるが、アトムの生みの親が天馬博士だということが引っかかり、アトムを信用しきれないところがある。多発するロボット犯罪に頭を痛め、同時にロボットの存在に対して危惧を抱いている。シティの平和を守るため、日夜心を鬼にして戦っているが、時折ふと、人情もろい面を見せる事も。
デルタ
メトロシティ警察が、対ロボットスクワッドとして配属しているARRS（アンチロボット・ロボットスクワッド機動隊）の隊長。地上最高のサバイバル戦術を使い、場所に合わせて気配を消すことが出来、ARRS隊専用の銃を使用する。隊長としてのプライドを持っており、アトムが自分達の捜査に参加するのを快く思っていない。多少頑固だが真っすぐな性格。
◎エプシロン
ロボット環境観測員。相手の行動パターンを分析して潜伏範囲を特定したり、気象センサーにより自然の状況を分析して「地の利」を生かした戦い方が出来る。女性型で、争いを好まない非戦闘ロボットではあるが、かなりのパワーを持ち、光子砲で攻撃することも出来る。
原作ではオーストラリアの孤児院で働く男性型ロボット。
ハーレー
オメガ・ナイツを代表するロボットボールプレイヤー。華麗なプレイが魅力的な、世界一の運動性能を持つロボット。ルールを大切にし、ラフプレイを好まない。ゲーム中サーチをして、敵の行動を予測し、パスコースやライディングのコースを探して得点を狙うチームの司令塔。
ライバル
◎アトラス
大富豪の徳川が、事故死した息子・ダイチを蘇らせるため、天馬博士に依頼して作らせた戦闘ロボット。その知力と能力はアトムに勝るとも劣らない。ダイチの孤独な記憶や、父親をはじめとする人間への憎しみに支配され、親に隠れて破壊を繰り返すようになる。
後にロボタニアの協力者として復活する。
◎プルートウ
シャドウによって製作された、世界最強になるという使命を背負うロボット。あらゆるロボットに闘いを挑み、勝利を続けていくが、アトム達と接していくうちに、成長する電子頭脳の中に｢友情｣｢仲間｣といった意識が芽生え始め、｢闘う｣ことに疑問を持ち始める。さらに強大で、一切感情を持たないダーク・プルートウ（原案は原作のボラー）も登場。
後にロボタニアの協力者として復活する。
なお、本作ではデザインが大幅に変更され、バイソンを連想させる茶色のカラーリングになっている。
◎ヘラクレス
ロボッティング世界チャンピオン。アテネニア出身。誇り高き騎士型のロボッティング戦士。ライトニングスピアでの打撃と、楯から出るスパークシャワーという突風により攻撃する。
青騎士との関わりによって自らの生き方に疑問を覚えるようになり、彼の理想に傾倒してついて行き、ロボタニア軍の戦士として人類との決別を決意する。
◎青騎士（あおきし）
物語後半より主要的なキャラクターとして登場。ロボットが人間に虐待されている現場に現れては、ロボットを救う謎の青い騎士の姿をしたロボット。ロボット馬アオに乗って行動する。武器はサーベルを使用し、電撃を集めることでビームを発射出来る。
元はハムエッグが主催する闇ロボットクラッシュにて、選手ロボットを修理するロボット「ブルー・ボン」であったが、ハム･エッグの為にロボット達が傷つけられていくことに耐えられず、反抗するようになった結果、宇宙に放り出されてしまい、そこに現れたシャドウに改造され、青騎士としての力を与えられた。過去の経緯から、ロボットが人間に服従することに疑問を感じており、自分の意志に同調するロボット達を同士として集めている。
当初とはアトムとも共闘するが、意見の違いから次第に対立していき、遂にはレッド将軍の元で働いていたAIロボット・キップの件にて我慢の限界を迎え、人間達のエゴで解体処分されようとしていたキップと同型のロボット達を救出。南極にて、自らが集めたロボット達と共に、ロボットだけの理想郷である独立国家「ロボタニア」の建国を宣言する。以降はロボットの理想郷の為ならば、人間との全面戦争も辞さない覚悟で、レッド将軍率いる精鋭部隊「ユリシーズ」と激しい戦闘を繰り広げるが、アトムの必死の説得や、人間との共存を望んだキップを始めとするロボタニアの一部のロボット達の意思を見て、アトムと和解。シャドウの太陽系外宇宙への旅立ちに賛同し、ロボタニアに残ったロボット達と共に旅立っていった。
敵
◎天馬博士（てんま）
天才的ロボット科学者で元科学省長官。そしてアトムの生みの親で本作最大の敵でもある。傲慢で自己中心的な性格で、極端な人間嫌いであるがゆえに、アトムだけでなく亡き愛息・トビオからも「誰も愛していない」と評されてしまっている。
科学省長官時代に、事故で亡くなったトビオの代わりとなるロボットを生み出すために知能ロボットの開発に着手、アトムを作り上げるが、次第に心の成長によってアトムが自身に反抗するようになる。そのことから、アトムを試す為にあえて廃棄ロボットの処理を行う「第7プラント」へ連れて行った結果、ロボットを廃棄する光景に怒りを覚えたアトムは、プラントを破壊。心を持ったロボットの成長に恐怖を覚えた天馬博士は、ロボットを強制停止させる「キルリング」を使ってアトムを強制的にシステムダウンさせた上に、開発中だった心を持ったロボットも全て破壊する暴挙に出る。このことで、最終的にはお茶の水博士とも対立し、科学省から追放されることになった。
その後、お茶の水博士によって再起動し、心の成長によって進化していったアトムを見たことで、「進化したロボットは、種として人間を超えていく可能性を持っている」という結論を導き、アトムを始めとする自分が作ったロボットが世界を支配するという狂気の夢に取り付かれたマッドサイエンティストと化していく。アトムを最強のロボットへと成長させるべく、自身の分身とも言えるロボット･シャドウを造り出し、彼を通して様々な事件を引き起こし、アトムをロボットの王、自身はロボットの神になろうとする。しかし、ロボタニア騒動にて、アトムをロボットの王にすべく新しい身体を用意するが拒絶され、自分自身をロボットに改造してロボットの神になる望みも、自分と同じ顔に変えたシャドウから拒否され、野望は潰えてしまうことになる。
ロボタニア騒動でランプのミサイルから青騎士とシャドウの乗り込むロボタニアの宇宙船を庇って大破したアトムをトビオとしての記憶に変えて復活させるが、ランプに襲われる際にアトムが記憶を取り戻し、お茶の水博士の元に戻ることに失望した。その後、科学省を占領して第7プラントでアトムを待ち構えた。アトムを捨てた理由と自らの野望を口で明かし、アトムに「あなたは僕を愛していない」と評された後、科学省を爆破させて自らを犠牲にしようとした。だが、天馬博士を見捨てないアトムに「死なないで、お父さん」と告白され、逮捕される直前、「アトムの父親にふさわしいのは私ではない」とアトムをお茶の水博士に託した。
シャドウ
プルートウ及びダークプルートウの生みの親。アトムを進化させるため、より強いロボットを造ることの出来る存在を要した天馬博士により、アトム同様進化するロボットとして作られたロボット科学者。当初は天馬博士の指示通りに行動して、様々な混乱を巻き起こしていたが、アトムの戦いを見ていくうちにその心境に変化が起こり始める。ハムエッグの元で修理ロボットとして働かされていたブルーボンを青騎士に改造した張本人でもあり、彼の影の協力者でもあったが、争いによって必要以上の犠牲が出ることを理解していたシャドウは、青騎士と対照的に戦争以外の方法でロボットの理想郷を創ることを考えていた。
ロボタニア騒動にて、当初は機械が剥き出しだった覆面下の素顔を天馬博士と同じ顔にして、天馬博士に反抗するようになる。アトムと青騎士の和解後、ロボタニアの巨大宇宙船機能を起動させ、青騎士達ロボタニアの民と共に太陽系外宇宙へと旅立って行った。
◎スカンク草井（スカンク くさい）
暗黒街の顔役。世界征服には興味がなく、徹底的な拝金主義の小悪党。冷酷で捻くれた性格。金儲けのためにロボットをたびたび利用するが、毎度アトムに阻まれ、次第にアトムを憎むようになる。
ただし、憎いのはアトム「個人」だけで、反ロボット主義者ではない。本人も「役に立つし忠実」という理由で「ロボットを愛している」と公言している。尤も、用済みになったロボットを平気で切り捨てている。
☆Dr.カトウ
破壊こそ最高の芸術だという考えを持つ狂気の爆弾魔で、元科学省研究員。ランプと行動を共にしているが、反ロボット主義には興味が無く、爆破にのみ興味を持っている。普段は無口というより無反応であるが、ホログラム録画でピエロに扮した時には狂燥的なまでに陽気になる。
最終的には、空中機雷を使ってランプが南極へ向かう足止めを行ったものの、タワシ警部にコントロールスイッチを破壊されたことで機雷が停止。自身も警察ロボット達に取り押さえられて逮捕された（この時、トレードマークのサングラスが取れ、一瞬だが精たんな顔立ちの素顔が見えている。）。
加田里（かたり）
反ロボット主義グループの過激派メンバー。ランプと共にAIロボットを街から追い出そうと思っている。様々な人間に成り済ましてAIロボットを狂わせ、それを人々に見せてロボットの危険性を訴えている。
「ロボット農場の環境制御を暴走させて大洪水を引き起こす」、「密造した翼竜ロボットを街中で暴れさせる」、「テロを起こし、遠隔操作のロボット（というより人形）に嘘の犯行声明を喋らせる」など、AIロボットの評判を落とすためなら、関係のない人間や自分を慕っていた少女（ミミ）ですらも犠牲にする事を厭わない自分勝手で外道なテロリスト。
姫川明の漫画版では、元コックでありロボットのせいで失業した為にロボットを恨み、アニメと同じように洪水を起こしたが、自身が洪水に巻き込まれアトムに助けられる結果になる。
その後、ランプやカトウと共謀して徳川グループの月面プラントを爆破しようとするが、アトムとアトラスの乱入により不利になる。ここで「顔を知られすぎている」という理由でランプに見限られ、「自分はただの道具」と自虐しながらもアトムとアトラスに起爆装置の解除方法を教えた。
☆ロック・ホーム
超能力者兼天才犯罪者。生物なら何でも言いなりに操れ、変装の達人でもあり何度も姿形を変える。火の鳥（後述）の力で超人類に進化、世界の王となるべく暗躍。何度もアトムを騙して利用し、心を傷つける。卑劣で自己中心的な性格であるが、天涯孤独ゆえに家族のいない寂しさから、持っていたペンダントに、道端に落ちていた雑誌から切り取った女性の写真を貼って、それを母親と思うといった面も持っている。
過去に、政府の転覆を狙う反政府組織の能力開発研究所で、人体実験同様の特殊訓練を受けさせられており、12歳の時に脱走。その時に自分が両親に捨てられたという、偽りの記憶を植えつけられており、ロックが人間を憎む理由にもなっている。
アトムのエネルギーを利用して、フェニックス島にムーンタワーを召喚し、進化をもたらす火の鳥の力を得ようとするも、悪しき心を持っていたことで暴走。アトムに救われ、その時にロックはアトムと共に母親が病気で長く生きられず、自分が捨てられていなければ、愛されていた事実を、火の鳥の力で知り、最終的には警察に逮捕された。
◎ハム・エッグ
闇ロボットクラッシュを取り仕切る興行主。ロボットを金儲けの道具としか考えていない。金儲けの為にはロボットを連れ、宇宙のどこにでも顔を出す。青騎士とは浅からぬ因縁がある。
◎アセチレン・ランプ
評論家、会社社長、政治家で、反AIロボット主義者。人間以外の知性を認めない人間至上主義者である。政界に進出し、AIロボット排斥運動の急先鋒となる。しかし内心では、かつて自分を救ってくれたロボット・フレンドを見捨ててしまったPTSD（というより良心の呵責）に苛まれ、「ロボットは道具。心などいらない」と己に言い聞かせ、世に広めることで、辛うじて正気を保っている。フレンドとの再会を予感させる場面もあったが、その後も姿勢は変わらなかった。
ロボタニア騒動の発端を作り、ロボットの完全排除を目論んだものの、アトムのロボタニアへの説得によって目論みは失敗に終わる。しかし、諦めようとしないランプは、個人所有していた戦艦の大型ミサイルで青騎士とシャドウの乗り込むロボタニアの宇宙船を撃墜しようとするも、これもアトムの活躍で失敗に終わる。
ミサイルの爆発でアトムを破壊することに成功して狂喜するも、ロボタニア騒動が結果的にロボット達の地位を上げてしまった上に、自らも元凶の一人として指名手配されたことで、それまで協力を得ていた企業の大物達から遂に見放されてしまい、名誉・地位の全てを失う。このことで、アトムと天馬博士を逆恨みしたランプは、有人人型機動兵器「バウントアーマー」に搭乗して、自ら二人の抹殺に乗りだすも、ウランや友達の活躍で記憶を取り戻したアトムの反撃を受け、敗北。最後は警察に取り押さえられて逮捕される。その時もランプは全く懲りずに「人間の名誉の為に闘ったのだ」と自らの正当性を主張し続けていたが、タワシ警部には「お前に人間の名誉を語る資格は無い」と断じられた。
ダーク・ガールズ
サラ、クリス、カーラの女3人組からなる闇のロボット廃棄業者。企業から大金を受け取り、不法に廃ロボットなど有害物質を大量に廃棄する裏稼業の人間。巨大ヘビロボットのナーガをペットにしている。
やることがやることだけに人目についてはいけないはずだが、なぜかコスチューム･口上･決めポーズまで取り揃えて怪現象を引き起こす劇場型犯罪者集団。
◎ミニミニ
悪徳科学者で、超小型ロボットの専門家。アトムのアストロシステムを悪用した兵器を開発して儲けるため、「小技」を駆使してアトムを狙う。
キャラクター原案は原作のフーラー博士。
