《蒸汽男孩》将故事置于十九世纪中叶的维多利亚时代大英帝国。工业革命正在蓬勃发展，理性与进步被视为至高信念，人类文明仿佛正迎来无限可能。
第一次万国博览会开幕前夕，居住在伦敦的13岁少年雷·史汀（铃木杏 Anne Suzuki 配音）突然收到祖父——一位发明家（中村嘉葎雄 Katsuo Nakamura 配音）从美国寄来的神秘动力装置“蒸气球”（Steam Ball）。这个金属球蕴藏着惊人的力量，不仅引来英国情报组织的觊觎，也成为黑暗组织奥哈拉基金会争夺的目标。雷很快遭到一群身份不明者袭击，只得带着蒸气球踏上逃亡之路。
为了查明真相，雷来到美国，并从父亲艾迪（津嘉山正种 Masatane Tsukayama 配音）那里得知，蒸气球是依据全新机械理论制造的装置，能够产生足以供应整个国家的划时代能源。在旅途中，雷结识了美丽的富家千金斯嘉丽（小西真奈美 Manami Konishi 配音）。这位自幼娇生惯养的少女爱上了雷，主动陪伴这个孤独的少年，加入了充满未知的冒险。
科学究竟会成为人类追寻希望的力量，还是最终将一切引向毁灭？影片历时整整9年制作完成，总制作费高达24亿日元。
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