アトムの家族の名前はパパを除き、元素に由来している。アトムはAtom（原子）、ウランはUranium（ウラン）、コバルトはCobalt（コバルト）など、ママ（リン Phosphorus）とチータン Titanium（チタン）を除き、放射性元素に関する名前が付けられている。

ウラン（科学省製；お茶の水博士指揮）

アトムの誕生日のプレゼント用に、妹として作られた女の子のロボット。アトムのような7つの能力を持たないものの、10万馬力の力を持つ。

しばしば悪人にアトムを倒すための人質に取られることがある（地上最大のロボットの巻など）。お転婆で、まれにお兄さん思いの一面も見せる。

コバルト（科学省製；お茶の水博士指揮）

アトムが水爆の起爆装置を止める作業中に突如行方不明になった時、アトムの代理を果たすためにお茶の水博士が作ったロボット。アトムと同じ力を持つ（原作の一部ではアトムより能力が劣るとされる）。しかし、アトムにある一番精巧な部分を持っていないために、細かい作業が出来ない。

体内のオメガレーダー内のイプシロン線が左巻きになっている為、アトムのオメガレーダーと同じ信号を出し、お互いに呼び合う事が出来る。

連載時は「ミドロが沼の巻」で自爆するが、後に改訂されて生き残っている。一度壊れた後はウランと共に再登場した際には飛行能力などのアトムの持っている能力は失われていた。

アニメ1作目では大掃除のごみの中から見つかった、天馬博士がアトム以前に作ったロボットとして登場。

原作ではアトムの弟という設定だったが、1作目のアニメでは兄になっている。どちらも双子という設定。アニメ2作目、3作目には登場しない。

エタノール（アトムのパパ）（地方のロボット工場製）

お茶の水博士が、「アトムにはロボットの親を」というタマオ（大目玉男）の意見（「アトムの両親」。ただし、のちの単行本では「気体人間」のエピソードに含まれる場合がある。また、提案者もケン一に変更）から、民間のロボット工場に注文、アトムの進級祝いとしてプレゼントされた。『アトム今昔物語』では、お茶の水博士がコツコツつくって、ロボット人権宣言後、サーカスから自由になるのを待って、プレゼントした。

アトムより後に生まれたため小学校ではアトムの後輩。短絡的な部分もあるがアトムを守ろうとする考えの裏返しでそうなってしまうことが多い。アニメ第3作には登場しない。

リン（アトムのママ）（地方のロボット工場製）

パパと同時に作られた。顔はお茶の水博士の亡き妻に似ているという理由（初出時。のちの単行本ではカットされている）で博士が選んだ（「アトムの両親」）。『アトム今昔物語』では、天馬博士の妻（天馬星江・トビオの母）の顔である。アトムをよく理解してくれている。パパ共々アニメ第3作には登場しない。

チータン（ウランの弟）

最も後期に作られたウランの弟ロボット。1万馬力を誇り、泣き声で周囲を破壊してしまう。外見はほぼ赤ん坊。「鉄腕アトムクラブ」で初登場しているが「少年」では登場せず、アニメ第1作では第165話より登場している。