ロボットアニメは登場するロボットの種類によって幾つか類型に分けられる。一般的にロボットアニメといえば、「ヒトを模していない自律型ロボット」「遠隔操作型ロボット」「搭乗型ロボット」のアニメを指す例が多いが、本節で述べるように「アンドロイド（ガイノイドも含む）」や「装着型ロボット」も広義的にはこの部類に該当する。

ここでは、ロボットアニメに主人公格で登場するロボットの類型を、日本での捉え方を中心にしながら、可能な限り外国での捉え方も交えて解説する。

自律型（英：Sentient）
自律性能を有するロボット。技術面からは人工知能搭載型のほか、人知を超えたオーバーテクノロジーによるものや、既存の生命原理から外れた存在までがある。ヒトを模したものと模していないものに大別でき、また、等身大（人間大）のものとそれ以外（大きいものと小さいもの）に大別できる。活劇はもちろん、人間との交流・共存がテーマとなる作品が多い。巨大ロボットが登場する代表作が『アストロガンガー』。


等身大の自律性ヒト型

ヒトを模した等身大（人間大）の自律性直立二足歩行型ロボット。すなわち、アンドロイドのこと。活劇はもちろん、人間との交流・共存、果ては恋愛がテーマとなることが多い。代表作品の『鉄腕アトム』は最初のロボットアニメ作品であり、最初の30分のテレビアニメシリーズ作品でもある。


非等身大の自律性ヒト型

ヒトを模した自律性直立二足歩行型ではあるが、非等身大のロボット。小さい方の代表作は『小さな巨人 ミクロマン』。カラーのロボットアニメ作品第1号である『アストロガンガー』では、「生きている金属」を使って生成した自律型ロボットに人間の主人公が融合することでさらなる力を引き出すという異色の作品になっている。


ヒトを模していない自律型

代表作は、タイムボカンシリーズ、トランスフォーマーシリーズ、勇者シリーズなど。キャラクターではタチコマも該当（代表作は『タチコマな日々』）。

装着型（英：Wearable）
人間が装着する、能力強化型のロボット。

変形型（英：Transforming）
補佐キャラクターとして登場する作品は多い。代表作は『機甲創世記モスピーダ』、トランスフォーマーシリーズ、『機甲警察メタルジャック』など。

遠隔操作型（英：Remote controlled）
人間が外部から遠隔操作するロボット。最初の巨大ロボット作品である『鉄人28号』（1955年）以後、巨大ロボットとしてはあまり見られないタイプであるが、『プラレス3四郎』や『ガンダムビルドファイターズ』などの人間大未満の場合や、シミュレーションタイプとしてカードゲームアニメに遠隔操作型ロボットが登場する場合もある。

搭乗型（英：Piloted）
人間が乗り込んで操作するロボット。日本のロボットアニメの中で、最も作品数の多い一大ジャンルである。一般的にロボットアニメというとこの部類を指す例が多い。最初の搭乗型巨大ロボットが登場する作品は1950年にフランスで発表された『やぶにらみの暴君』であり、『マジンガーZ』（1972年）でジャンルとして確立した。少数派になるが非ヒト型も、合体型ロボットの分離状態に頻出する他、『ゾイド』などが存在する。古くは、「ロボット」はある程度以上の自立稼働可能な形式を指し、搭乗形式では人型や動物型に近いものでも「タンク」と称していることがあった（『黄金バット』（1947年）、『魔神ガロン』（1959年）等では、自律・遠隔操作型のロボットと、搭乗型のタンクを呼び分けている）。もっとも、ロボット工学的には人型のような形態はただ立っているだけでも常に自身のバランス制御が必要で、これを含めた一挙手一投足を操縦者自身により制御することは、現実的に不可能に近い。大多数のロボットは操縦方式いかんによらず基本動作は自律して行っており、操縦者は高次の行動を指示する形態とする必要がある。つまりコントロール面に関して、鉄人28号とマジンガーZやガンダムとの違いは、おおよそのところ操縦装置が無線リモコンか、機体に直付けかに過ぎないと言える。なお、『マジンガーZ』などのように、主人公側（搭乗型）と違ったタイプのロボットを、敵役（自立稼働・音声遠隔指示型）が使う場合も多い。
分類基準

何をもってロボットアニメとするか、あるいはそのアニメがロボットアニメか否かは見る側で基準や根拠がまちまちであり、ファン同士で意見が食い違うことがしばしばある。「アンドロイド」「装着型ロボット」も狭義的にはロボットアニメには含まれないので論題にされる。「ロボット」は原初であるカレル・チャペックの『R.U.R.』においては、有機質からなる人造人間であったが、20世紀以後現在においてはもっぱら金属など無機質の機械からなるものをいう、定義の遷移が生じており、有機質・生命体のものや、あるいはゴーレムのように非科学的手段で稼働するものをロボットに含めうるかという議論も存在する。