アストロボーイ・鉄腕アトム
放送時間枠がローカルセールス枠のため時差ネットが多かった。関西テレビでは当該時間帯は『走れ!ガリバーくん』を放送していたため30分先行で、9:00 - 9:30(JST)に放送された。また、THK東海テレビでは8日遅れながらも、毎週月曜 19:00 - 19:27(JST)というゴールデンタイムに編成した。また、制作局フジテレビの権利が失効した後も、独立放送局の三重テレビやテレビ東京系列のテレビ北海道(「おはようまんが」枠)において再放送された。秋田テレビ、ITC石川テレビ、FTB福井テレビ、NBS長野放送はスポンサーの関係により『MUSIC FAIR 21』をネットできないための代替編成で放送していた。
ABS-CBN、QTV Channel 11
声:大和田伸也
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。そして、ベアちゃんをきっかけに、友達とは「その人のためなら危険を顧みない存在」と理解する。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、彼と決別するようになる。青騎士の更生後、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。
声:丸山美紀
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。
YTV
声:松本梨香
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。
2004年2月7日公開。200年後、ロボットに支配されている地球で、少年は役目を終え展示されていたアトムと出会った。
アニメ第1作から一貫してアトムの声を担当してきた清水マリだが、制作サイドの意向を受け第1話放送日当日の2003年4月6日をもってアトム役を降板。本作からは津村まことが声を担当している。また、アトム以外の重要キャラクターの声優も総入れ替えが行われ、清水と同じく、お茶の水博士の声を第1作から担当している勝田久のみが続投した。
作品中ではソニー製のロボットQRIOが声の出演を務めるエピソードもあった。
香取慎吾がペンキ塗りロボットの声でゲスト出演しているが、権利関係からかDVD版では手塚眞が声の吹き替えを行っている。
上記の香取をはじめ3クール目は声優が本業でない芸能人のゲスト出演が多かった。
『ASTRO BOY 鉄腕アトム』(アストロボーイ てつわんアトム)は、手塚治虫の漫画『鉄腕アトム』のアニメ化作品で第3作となる。
前2作は虫プロダクション・手塚プロダクションの制作だったが、本作はソニーピクチャーズがプロダクションを担当し、同社が初めて日本の原作物をアニメ化した作品でもある。