アストロボーイ・鉄腕アトム
声:大和田伸也(少年期:高橋裕吾)
天才的ロボット科学者で前科学省長官(お茶の水博士の前任)。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故に、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、科学省から脱走することになった。
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。
声:藤井フミヤ
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愛していたが止む無く離別した事実を、火の鳥の力で知り、最終的には警察に逮捕された。
声:檜山修之
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ロボット。アトムと同じく人間に近い知性を備えたロボットだが、強権的な父親に抑圧され苦しんできたダイチの記憶を受け継いだため、憎しみに心を支配されて破壊活動を開始。人間を守るアトムと激しく対立するようになる。
普段は亡きダイチにそっくりな少年の姿だが、怒りが高まると赤い装甲をまとった戦闘形態に変身。頭部や手足に備えた突起から電撃を放ち、圧倒的な攻撃力を発揮する。アトラスとの対決でアトムは初めてアームキャノンを発動し、両者が能力も境遇も似通った対になる存在であることが強調して描かれている。
月面での戦いで一旦は行方不明になるが、後にロボタニアの協力者として復活する。相変わらず人間に対して友好的ではないものの、かつての闇雲な暴力性は鳴りを潜め思慮深い性格に一変。人間とロボットの対立が激化しすぎることを防ぐため、青騎士の攻撃からアトムを庇うなど意外な活躍を見せた。最終的には、ロボットの独立を目指し青騎士に同行する道を選んでいる。
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。
声:矢尾一樹
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。もっとも、用済みになったロボットを平気で切り捨てている。
声:富田耕生
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 しゅんさく)。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(特にアトムのことを優秀な助手と言っている)。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。