放映開始からしばらくは常時20％台を維持する好視聴率をマークしていたが、その後TBSが同時間帯に円谷特技プロダクションの特撮番組をぶつけてくることが判明し、円谷の特撮技術をよく知っていた手塚治虫は番組の前途を危惧した。その番組『ウルトラQ』が始まるや、『W3』の視聴率は急落、月曜19時30分枠への時間帯変更（正確には『快傑黒頭巾』との枠交換）のやむなきに至った。手塚は『ウルトラQ』第1話の放映を見たとき、息子である手塚眞の興奮ぶりが「すごいものであった」と記し、クライマックスが終わってから『W3』にチャンネルを変えたとき「ああ、これで負けた!」と感じたという。一方手塚眞は著書『天才の息子』（ソニーマガジンズ、2003年）の中で、以下のように記している。珍しく手塚が家族と夕食を共にした席で『W3』が放送される時間に、妹とそれぞれ別の番組（名前は明記されていない）が見たくてチャンネル争いをしていた。それを見かねた母親（手塚夫人）は「お父さんの番組を見なさい」と叱ったが、そのとき手塚が「子供の観たいものを観せなさい!」と怒鳴り、眞と妹はびっくりして声も出ず、母親は驚いて泣き、気まずいムードになったという。円谷特技プロダクション創設者である円谷英二の息子であり、当時フジテレビ映画部に所属して『W3』を担当していた円谷皐は、ウルトラQが始まり、W3の視聴率が一気に一桁台に急落して複雑な気持ちだったと述懐している。
196x年、人類は相変わらず無益な戦争を繰り返し、その悪評ははるか遠くの銀河連盟の耳にも届いていた。そこで銀河連盟はW3（ワンダースリー）と呼ばれる銀河パトロール要員の3人を地球に派遣して1年間調査を行い、そのまま地球を残すか反陽子爆弾で消滅させるかを判断させることにした。ボッコ、プッコ、ノッコ（マガジン版では隊長、ガーコ、ノンコ）の3人は地球の動物の姿を借り調査をすることにし、それぞれウサギ、カモ、ウマとなる。星真一少年は負傷していたW3を自宅の納屋にかばい、彼らと行動を共にすることになる。一方、真一の兄、光一は世界平和を目指す秘密機関フェニックスの一員として工作活動に従事していた。（マガジン版はここまで）W3は初めこそ地球人の暴力性に嫌悪感を抱くが、真一少年の純朴な人柄に触れて考えを改めていく。その後、プッコの不手際で地球を数秒で破壊してしまう反陽子爆弾が悪の組織に渡ってしまう。それを知ったW3や真一達は反陽子爆弾を取り戻そうと立ち向かう。
『ジャングル大帝』に続く虫プロ3番目のアニメ作品で、虫プロ内の余剰人員を活用する目的で出された企画をその端緒とする。『W3』が形になるまでに、2度虫プロの企画と似たアニメが他の会社から制作され、虫プロではその都度設定変更を行っている。漫画版は当初『週刊少年マガジン』に掲載された。しかし、前述の設定変更の際に社内で内通者騒ぎが起こり、不幸にもその発端となった作品が『W3』と同時掲載になったため、これを快く思わなかった手塚の意向によりマガジンでの連載を6回（1965年13号 - 18号）で打ち切り、設定を見直した上で掲載誌を『週刊少年サンデー』に変更して連載された（1965年5月30日号 - 1966年5月8日号）。このことは俗に「W3事件」と呼ばれている。アメリカでは、Erika Film Production の手によって、THE AMAZING 3のタイトルで放送された。余談だが、エンドロールでの手塚の表記が"OSAMO TEDUKA"と誤記されている。
異類の者と結婚をした人間が「見るなのタブー」を犯して異類の者の本当の姿を見てしまい、それが原因で離別するという話は、この類型のフランスの伝説に登場するメリュジーヌからメルシナ型（メリュジーヌ・モチーフ）とも呼ばれる。
女神の魔法により人間の子供にしてもらったピノキオは、生みの親である人形職人のゼペットと2人で平穏な日々を送っていた。だが夜明け前、蜂のグランブルビー大尉が眠っていた海沿いに古びた巨船が停泊し、船内からテントやら楽屋やらがひとりでに出てきてあっという間に大きなテント小屋が建つ。安眠を妨害されたことに文句を言いながらグランブルビーは、船内で主とその手下の2人が、この場所がカーニバルを開くには最適だと話しているのを耳にする。気味が悪いと感じて関わり合いになりたくなかったグランブルビーは、荷物をまとめてその場から飛び去っていく。朝を迎え、ピノキオとゼペットが暮らす家では、ゼペットが人間になったピノキオの誕生日パーティのためにケーキを用意し、起きてきた彼に祝福の言葉をかける。喜ぶピノキオは女神にお礼がしたいと願ってろうそくの火を吹き消したとき、願い通り女神が現れ祝福されるとともに、人間になったと同時に自由を手にしたと教えられ、自由を大切にするようにと忠告を受ける。女神と別れたピノキオは、ゼペットが今朝町長に届ける予定の高価なオルゴールを見て、代わりに自分が届けたいと言いお使いを任される。自分で作り女神にも褒められたホタルの人形を持って出かけようとしたピノキオに、ゼペットは突然町に来たカーニバルのことを話し、いかがわしいため近寄らないよう注意する。しかし好奇心に駆られたピノキオは、カーニバルの方に引き寄せられそうになるが、そのとき女神に命を吹き込まれたホタルの人形から話しかけられる。ピノキオがホタルに名前を尋ねるが作った本人が名付けて欲しいといわれ、困って口にした「参ったな」を名前だと思ったホタルはそれを気に入りマイッタナーに決まる。マイッタナーから聞いてお使いのことを思い出したピノキオは、それでも少しだけ寄ってみたいとカーニバルの方へ向かう。カーニバルの途中の道、たぬきのスキャラワグとサルのモンキッキの詐欺コンビが人々から金銭をだまし取っていたが、イカサマがばれて2匹はカーニバルへと逃げ込み、パフォーマンス用の大砲で飛び去り追っ手を巻く。飛んだ先にはピノキオがいて、彼が持つオルゴールを見つけた2匹が言葉巧みに嘘をつき、騙されたピノキオはマイッタナーの忠告も聞かずにオルゴールといくらにもならない偽物のルビーを交換してしまう。夜、ゼペットに怒られたピノキオは自分が出て行けば迷惑をかけずに済むと考え、家を出てカーニバルに行く。そこではカーニバル最終日の出し物として、人形使いのパペティーノが少女の人形トゥウィンクルの人形劇を行っていた。劇の終了後、パペティーノの口車に乗せられたピノキオは油断した隙に人形にされてしまう。その頃なんとか家から出たマイッタナーは、蜘蛛の巣に捕らわれていたグランブルビーを助け、彼にカーニバルの近くまで連れて行ってもらう。人形になってしまったピノキオをマイッタナーがどうにかして元に戻そうとしていると、女神が現れてピノキオ再び人間にする。女神はピノキオに、命は自分で大切にしなければならないと話し消える。ピノキオは自分の責任は自分で取るとマイッタナーに話し、オルゴールを取り戻しに行く。