Metropolis gira en torno al detective privado Shunsaku Ban y a su sobrino Kenichi, que viajan a la reluciente ciudad de Metropolis para investigar una serie de delitos en una sociedad en la que los humanos oprimen violentamente a la población de robots y una fuerza dictatorial estrecha cada vez más su control. Su investigación los lleva hasta el doctor Laughton, un científico sospechoso de tráfico de órganos humanos y al que se cree oculto en la ciudad. A puerta cerrada, Laughton también ha creado a Tima, una sofisticada androide femenina destinada a Duke Red, el hombre más influyente de Metropolis.
Cuando el laboratorio de Laughton queda envuelto en llamas tras un incidente imprevisto, Shunsaku y Kenichi se separan mientras buscan supervivientes. Kenichi rescata a una Tima desorientada y lucha por protegerla de Rock, el despiadado hijo adoptivo de Duke Red, que persigue sin descanso a la joven robot. Sin conocer la verdadera naturaleza de Tima, Kenichi entabla amistad con ella creyendo que es humana. Mientras tanto, Shunsaku intenta reencontrarse con el muchacho al tiempo que desentraña las oscuras maquinaciones que se mueven en las sombras de la ciudad, incluido el papel central que Tima está destinada a desempeñar en el ambicioso objetivo de dominación de Duke Red.