A Metropolis, chacun est à sa place. Dans cette immense cité du futur, les humains et les robots cohabitent dans un cadre strict. Le gigantesque gratte-ciel Ziggurat abrite les élites de la société, qui y mènent une existence dorée. Les pauvres et les robots, eux, sont condamnés à une vie souterraine qui s'est organisée au sein d'un vaste réseau dans les entrailles de la ville.
Alors que les soulèvements anti-robots se multiplient, le détective Shunsaku Ban et son assistant Kenichi partent à la recherche d'un scientifique rebelle, le docteur Laughton, afin de saisir sa dernière création. Repoussant les limites technologiques, il a créé Tima, une merveilleuse petite fille qui est aussi un robot d'un nouveau genre. Elle incarne une nouvelle race de sur-êtres.
Ayant localisé le laboratoire secret, Shunsaku et Kenichi découvrent que le scientifique excentrique est protégé par un homme énigmatique et puissant dont l'unique désir est de retrouver une personne chère tragiquement disparue. L'enquête s'annonce plus que dangereuse...