アトムは漫画『アトム大使』では脇役だったが、主人公の大目タマオを凌ぐ人気となり、アトムを主人公として設定を少し変更した上で描かれたのが本作である。

原作の公式設定では、2003年4月7日がアトムの誕生日とされる。製作者は天馬博士。交通事故死した息子、天馬飛雄に似せて作られた（故に当初は、「トビオ」と呼ばれていた。「アトム」と名付けたのはサーカスの団長）。トビオは、人間とほぼ同等の感情と様々な能力を持つ優秀なロボットであったが、人間のように成長しない事に気づいた天馬博士はトビオをサーカスに売ってしまう（アニメ第2作ではアトムが天馬博士と客船に乗っていて1人になった時、悪徳サーカス団の団長に騙され、サーカス団員として契約し拉致されるという設定になっている）。 やがて感情を持つロボットに対し、人間と同じ様に暮らす権利が与えられるようになると、アトムの可能性に着目していたお茶の水博士に引き取られた。そして情操教育としてロボットの家族と家を与えられ、人間の小学校に通わされるようになる。学校での生活は、同級生達と紆余曲折しながらも仲良くやっている。

性格は真面目で正義感が強いが、時にロボットである自分に苦悩や葛藤することも多い。

• 誕生日の4月7日は本作の連載が始まった「少年」の発売日であった。原作では、「ミーバの巻」（1966年9月号 - 12月号）などに誕生日についての記述（ミーバの巻では天馬博士のセリフ）がある<ref>連載当時と小学館ゴールデンコミックス版では2013年4月7日と記載されており、朝日ソノラマサンコミックス版以後2003年4月7日に改められた</ref>。

　赤い靴：元々は女の子ロボットの装備品で、形見代わりにアトムが譲り受けて装備しているらしく、着脱事可能（脚部その物もその女の子ロボットのものを流用したともみられるらしいが詳細不明）。ピコピコいう歩行音もこの靴から発せられており、アトムの存在を周囲に知らしめるのに役立っている。アニメ第2作では名付け親であるロボットサーカスのキャシーから赤い靴が譲られ、最終回ではニョーカの足が移植されている。

物語の中では苦労して市民権を得たが、現実の2003年4月7日、アトムは手塚プロの所在地である埼玉県新座市の市民に登録（世帯主はお茶の水博士）され市役所の前でアトムの特別住民票が配付された。なお、アニメキャラクターによる特別住民登録はこれが初めてとなる。

アトムの髪型は、作者である手塚のくせ毛がモデル。アトムの特徴はを元にしており、英題もMighty Mouseに倣ってMighty Atomとしている。 また、『少年』連載時には手の指は4本で描かれることが多かった<ref>手塚の著書『ぼくのマンガ人生』（岩波新書）P113や、サンコミックス版単行本の解説漫画によると、ミッキーマウスが4本指だった影響であるという（ディズニー作品で4本だった理由については「4本で動かすと5本に見える」という俗説があったため（もちろん事実ではない）と解説漫画で紹介している）。アニメ版では第1作のキャラクター設定表でははっきり4本と記されていた。</ref>。