オープニングには、前期・中期・後期の3つのバージョンが有る（前期は、インスト・歌有りの2種類あり、インスト版にもバージョン違いが存在するがこちらは収録されていない）。内容は次の通り。
前期（第1 - 76話）
アトムが空を飛びながら、フランケン、ホットドッグ兵団などの悪人達を退治し、最後は地面に立った所で、画面中央に「提供 明治製菓」のテロップが映し出される。なお、インスト版は第1-30話までの使用とされているが、「恐龍人の反乱の巻」本放送当時の録音によればこの頃にも別バージョンのインスト版が使用されていたようである。
中期（第77 - 139話）
空飛ぶアトムが、怪獣に襲われたウランを助け、悪人を退治しながら、ウランと共に世界各国の上空を飛ぶ（それを追うお茶の水博士）。ラストは2人で地面に立った所で、下に雲のようなものが現れ、それが「提供 明治製菓」のテロップとなる。
後期（第140話 - 第193話。第185話は除く）
雷雲を突き抜けたアトムが、飛行機の脇→海上→スイス→未来都市の順で空を飛び、ラストは地面に立つ。第185話はこの回が通算200回になった記念として、アニメの制作風景などで構成、スタッフを初め、担当声優の清水マリ（アトム役）・勝田久（お茶の水博士役）らがゲスト出演した。
これらの内、後年の再放送や懐かしのアニメ特集、さらにビデオソフト版では、もっぱら後期バージョンの物が使われている。2002年に発売したDVDでは、前期前半・前期後半・中期のオープニングが映像ソフトで初めて収録された。
なお、日本映画専門チャンネルの『手塚治虫アニメシアター』では、第56話を除く全話が後期バージョンで放送された（第56話は、1980年にリバイバル上映された時のオープニングを使用）。ただし別枠で、第116話&第117話が中期バージョンで放送された。
NHK BSプレミアムでの再放送時は、NHK固有の制約で提供テロップになる前に映像が止まっている。 エンディング映像は2バージョン有り、前期（第88話まで）はアトムの表情などで構成された静止画バージョン、後期（第89話以降）は未来都市の上をアトムとウランが飛ぶ動画バージョンとなっている。双方とも映像には余白の部分が有るが、本放送当時は各話のスタッフやキャストのテロップが合成されていた[3]。なお、フィルムの画面に楕円が出ているところでは、明治製菓のマークが合成されて放送されていた。 上記2バージョンは現在ソフト化や配信されているもので確認することが出来るが、「恐龍人の反乱の巻」本放送を録音した音源によればエンディングにも歌有りの｢鉄腕アトム｣が使用されていたようであるが、こちらのバージョンは収録されていない。また上記の通りこの話数の頃にもオープニングにインスト版が使用されていたようでありオープニングとエンディングでどちらが先に歌有りに切り替わったのかは不明。 なお『手塚治虫アニメシアター』で放送された際には、一貫して後期バージョンを使用し、スタッフなどのテロップは合成されなかった。その事に関してのお断りは、初期はED放送中にテロップされていたが、後に放送後にブルーバックで表示された[注釈 3]。 本放送当時には女性ナレーターがインスト版[注釈 4]「鉄腕アトム」に合わせた形で行う次回予告が行われていたようであるが、これはいずれのソフトにも配信にも収録されていない。 話数サブタイトル脚本演出放送日
エンディング（演出）
視聴率
初回視聴率：27.4%
最高視聴率（ニールセン調べ、関東地区）：40.7%（1964年8月29日放送、第84話「イルカ文明」）[4]
最高視聴率（ビデオリサーチ調べ、関東地区）：40.3%（1964年3月14日放送、第63話 「人工氷山」）[5]。
各話リスト1963年
1アトム誕生手塚治虫1963年
1月1日
2フランケン1月8日
3火星探検1月15日
4ゲルニカ手塚治虫
坂本雄作1月22日
5スフィンクス手塚治虫1月29日
6電光人間杉井儀三郎2月5日
7アトム大使山本暎一2月12日
8幽霊製造機石井元明2月19日
9ブラックルックス紺野修司2月26日
10イワンの馬鹿坂本雄作3月5日
11タイムマシン手塚治虫3月12日
12十字架島杉井儀三郎3月19日
13キリストの眼山本暎一3月26日
14人工太陽石井元明4月2日
15植物人間紺野修司4月9日
16白い惑星号坂本雄作4月16日
17ロボットランド杉井儀三郎4月23日
18ガデム山本暎一4月30日
19アトム対魔神手塚治虫5月7日
20気体人間手塚治虫
虫プロ演出部5月14日
21人工衛星R-455月21日
22海蛇島5月28日
23ミュータント紺野修司6月4日
24海底王国杉井儀三郎6月11日
25地底戦車山本暎一6月18日
26アトラス林重行6月25日
27パール星紺野修司7月2日
28マッドマシン杉井儀三郎7月9日
29想い出の日山本暎一7月16日
30ZZZ総統石井元明7月23日
31黒い宇宙線林重行7月30日
32ホットドッグ兵団紺野修司8月6日
33三人の魔術師杉井儀三郎8月13日
34ミドロが沼鈴木伸一
スタジオゼロ8月20日
35人間牧場山本暎一8月27日
36プイプイ教石井元明9月3日