La megalopoli futuribile di Metropolis è un'avveniristica città sviluppata su più livelli, in cui i robot sono servi degli umani. I livelli inferiori della città sono i bassifondi, teatro di miserie e criminalità; il livello superiore è invece quello più ricco; qui è stato appena inaugurato lo Ziggurat, un palazzo smisurato tanto quanto le ambizioni di potere dell'uomo che lo ha voluto, il Duca Red. Questi è un potente e ricchissimo leader demagogo, il quale nutre il progetto di tiranneggiare sul mondo grazie ad un'arma segreta; tale arma, che lo scienziato Laughton sta costruendo nei bassifondi, ha le tenere sembianze dell'indifesa Tima, una ragazzina androide del tutto inconsapevole della sua vera natura e della sua spaventosa funzione.
La piccola Tima non è solo un mero strumento di morte, agli occhi del Duca Red: ella ha infatti le sembianze di sua figlia (che si suppone defunta), e pertanto il Duca non nasconde un sincero affetto per l'androide. Questo affetto scatena la gelosia di Rock, figlio adottivo del Duca e capo di una squadra parafascista di cui lo stesso Duca è segretamente a capo, i Marduk. Quando Rock, spinto dalla gelosia e dal razzismo verso i robot, provoca un incidente al laboratorio di Laughton, Tima riesce a fuggire, e la sua strada si incrocia con quella del giovane Kenichi, il nipote di un detective giapponese, Shunsaku Ban, giunto a Metropolis proprio per indagare sugli oscuri traffici del dottor Laughton.
Il sensibile Kenichi e Tima, entrambi ignari della natura robotica di lei, sono costretti a nascondersi nei bassifondi della città, inseguiti dagli uomini di Rock; il Duca, furente col figliastro, è disposto a tutto pur di riavere l'adorata androide, e nel frattempo porta avanti la sua scalata al potere dittatoriale. Shunsaku Ban, a sua volta, si mette alla ricerca del nipote con l'aiuto di Pero, un efficiente robot poliziotto.
I teneri sentimenti che sembrano nascere tra Tima e Kenichi saranno contrastati da mille avversità, il tutto nello scenario di una Metropolis sconvolta dalle ribellioni dei più poveri contro i più potenti, e con la minaccia dello Ziggurat che incombe su tutto.