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（演出）

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。
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

話数サブタイトル脚本演出放送日
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
37ウランちゃん林重行9月10日
38狂った小惑星杉井儀三郎9月17日
39赤い猫白川大作
虫プロ演出部9月24日
40ネオ・シーザー手塚治虫(原案:笹川ひろし)柴山達雄10月1日
41X爆弾手塚治虫
虫プロ演出部10月8日
42黄色い馬片岡忠三10月15日
43デッドクロス殿下林重行10月22日
44エジプト陰謀団石井元明
虫プロ演出部10月29日
45クレオパトラの首飾り杉井儀三郎11月5日
46ロボット宇宙艇林重行
虫プロ演出部11月12日
47宇宙ガニ坂本雄作11月19日
48天馬族山本暎一11月26日
49透明巨人杉井儀三郎12月3日
50アトム西部へ行く柴山達雄林重行12月10日
51子象プーラ虫プロ演出部12月17日
52雪ライオン鈴木良武山本暎一12月24日
53さようなら1963年高橋健一杉井儀三郎12月31日
1964年

話数サブタイトル脚本演出放送日
54アルプスの決闘本間文幸林重行1964年
1月4日
55若返りガス片岡忠三片岡忠三1月18日
56地球防衛隊鈴木良武高木厚1月25日
57ロボット学校柴山達雄山本暎一2月1日
5813の怪神像本間文幸林重行2月8日
59白熱人間高橋健一片岡忠三2月15日
60ダーマの宮殿本間文幸青木茂2月22日
61宇宙の寄生虫山本暎一
虫プロ演出部2月29日
62幽霊船柴山達雄林重行3月7日
63人工氷山山本暎一
高橋健一山本暎一3月14日
64こうもり伯爵坂本雄作3月21日
65勇敢な脱走者柴山達雄林重行3月28日
66スペースバイキング高橋健一山本暎一4月4日
67夜の勇士達能加平手塚治虫
虫プロ演出部4月11日
68時計塔の秘密片岡忠三林重行4月25日
69恐龍人の反乱高橋健一山本暎一5月2日
70[注釈 5]ラフレシア豊田有恒坂本雄作5月9日
71地球最後の日山本暎一5月16日
72宇宙の漂流7日間能加平林重行5月23日
73ビッグタイタン柴山達雄青木茂6月6日
74地球探検山本暎一6月13日
75空とぶ町豊田有恒林重行6月20日
76モンスターマシーン虫プロ演出部6月27日
77ケープタウンの子守歌山本暎一7月4日
7850万年後の世界豊田有恒青木茂7月11日
79ドクター脳辻真先林重行7月18日
80ヒューマノイドピル柴山達雄紺野修司7月25日
81夢みる機械片岡忠三
辻真先片岡忠三8月1日
82ロボット競技大会坂本雄作8月15日
83怪鳥ガルダ豊田有恒高木厚8月22日
84イルカ文明勝井千賀雄8月29日
85狂ったベルトウェイ辻真先青木茂9月5日
86時間銃豊田有恒林重行9月12日
87新かぐや姫能加平沢わたる9月19日
88細菌部隊片岡忠三9月26日
89ゴメスの亡霊手塚治虫杉井儀三郎10月3日
90ロボット砦手塚治虫10月10日
91ガロン逆襲柴山達雄勝井千賀雄10月24日
92ロボット三銃士能加平
上梨満雄青木茂10月31日
93コバルト辻真先林重行11月7日
94アルプスの天使高橋健一沢わたる11月14日
95魔のパンチカード片岡忠三片岡忠三
林重行11月21日
96ロボットヒューチャー新田修介(富野喜幸の変名)11月28日
97宇宙の対決豊田有恒青木茂12月5日
98ゼオの遺産富野喜幸高木厚12月12日
99小さなコロンブス能加平林重行12月19日
100ロボットハウス豊田有恒勝井千賀雄12月26日
1965年

話数サブタイトル脚本演出放送日
101地図にない世界辻真先紺野修司1965年
1月2日
102魔境の女王手塚治虫1月9日
103宇宙への階段辻真先瀬山義文1月16日
104悪魔の風船富野喜幸1月23日
105アトム将軍豊田有恒青木茂1月30日
106宇宙から来た少年杉井儀三郎2月6日
107地球解放辻真先永島慎二2月13日
108サターンマン片岡忠三2月20日
109不死鳥辻真先紺野修司2月27日
110水星探検豊田有恒北野英明3月6日
111ロボットポリマー富野喜幸3月13日
112サムソンの髪の毛出�ｱ統3月27日
113笑わぬバック国能加平青木茂4月3日
114メトロモンスター山野浩一富野喜幸4月10日
115逃げだした大金庫能加平高木厚4月17日
116史上最大のロボット（前）手塚治虫柴山達雄4月24日
117史上最大のロボット（後）石津嵐上梨満雄5月1日
118ロボットラグビー豊田有恒青木茂5月8日
119空とぶレンズ能加平杉井儀三郎5月15日
120タイムハンター富野喜幸5月22日
121ガニメート号豊田有恒5月29日
122怪獣マントラー手塚治虫6月5日
123ドッグ隊長鳥海尽三出�ｱ統6月19日
124おきみやげ富野喜幸7月3日
125細菌をさがせ石津嵐7月10日
126ロボイド島海尽三高木厚7月17日
127実験ロボット石津嵐西牧秀雄7月24日
128インカ帝国の宝富野喜幸7月31日
129アトム対アトム広川和行8月14日
130火星の嵐石津嵐岡崎稔8月21日
131ムーンチャンピオン富野喜幸8月28日
132ルイ王子石津嵐出�ｱ統9月4日
13310年目の復讐富野喜幸9月11日