アトムの家族の名前はパパ（エタノール）を除き、元素名に由来している。アトムはAtom（原子）、ウランはUranium（ウラン）、コバルトはCobalt（コバルト）など、基本的に原子力に深く関わる元素から取られている。ウラン
ウラン
声 - 水垣洋子→武藤礼子・芳川和子（代役）（第1作）、菅谷政子（第2作）、丸山美紀（第3作）、鈴木みのり（PLUTO）科学省製；お茶の水博士指揮。アトムの誕生日のプレゼント用に、妹として作られた女の子のロボット。アトムのような7つの能力を持たないものの、10万馬力の力を持つ。地上最大のロボットの巻などしばしば悪人にアトムを倒すための人質に取られることがある。お転婆で、まれにお兄さん思いの一面も見せる。学校に通いながらロボットの格闘技「ロボッティング」に出場したいという願望を叶えるために、とある科学者の手で2人に分裂できるよう改造された事もあった。
コバルト
声 - 小宮山清（第1作）科学省製；お茶の水博士指揮。お茶の水博士が作ったアトムの同型機。突如行方不明になったアトムに代わり、水爆の起爆装置を止めるため、当時制作中だった物を急遽完成させた。アトムとまったく同じ設計、同じ性能である[注 14]。ただし、大急ぎで作ったためか、アトムほどの精巧さが無く、細かい作業が出来ない。作中ではアトムより多少長身・痩身に描かれている。体内のオメガレーダー内のイプシロン線が左巻きになっているため、アトムのオメガレーダーと同じ信号を出し、お互いに呼び合うことができる。連載時は「ミドロが沼の巻」で自爆するが、後に改訂されて生き残っている。一度壊れた後はウランと共に再登場した際には飛行能力などのアトムの持っている能力は失われていた。ウランと同様部品の大半はアトムと共通であり、アトムの修理のために自分の部品を提供した事もあった。原作ではアトムの弟という設定だったが、アニメ第1作では科学省倉庫の大掃除の際に見つかった、アトム以前に天馬博士が作ったロボット（アトムの先行試作機ともいわれる）であったために兄となっている。アニメ第2作、同第3作にはコバルトは登場しない[注 15]。
エタノール（アトムのパパ）
声 - 藤岡琢也ほか（第1作）、桑原たけし（第2作）地方のロボット工場製。鉄腕アトムとしての連載第1話である「アトムの両親」にてお茶の水博士が、「アトムにはロボットの親を」というタマオ（大目玉男）の意見から、民間のロボット工場に注文、アトムの進級祝いとしてプレゼントされた[注 16]。『アトム今昔物語』では、お茶の水博士がコツコツつくって、ロボット人権宣言後、サーカスから自由になるのを待って、プレゼントした。アトムより後に生まれたため小学校ではアトムの後輩。短絡的な部分もあるがアトムを守ろうとする考えの裏返しでそうなってしまうことが多い。アニメ第2作では、頭部はロボット造形学の権威、タツタ博士がデザインした（第5話）。アニメ第3作にはママ共々登場しない。なお『新・鉄腕アトム』ではデザイン変更に伴い後頭部にエネルギーを蓄えるネジのような物が追加された。
リン（アトムのママ）
声 - 平井道子ほか（第1作）、日比野美佐子（第2作）地方のロボット工場製。パパと同時に作られた。顔はお茶の水博士の亡き妻に似ているという理由[注 17]で博士が選んだ。『アトム今昔物語』ではアトムが生みの親である天馬夫妻の顔を希望したことから、天馬星江の顔となる[注 18]。アトムをよく理解してくれている。アニメ第2作では、頭部はロボット造形学の権威、タツタ博士がデザインした（第5話）。アニメ第3作にはパパ共々登場しない。エタノール同様、デザインは徐々に変化が加えられていった。
チータン
声 - 白石冬美（第1作）ウランの弟。最も後期に作られたウランの弟ロボット。1万馬力を誇り、泣き声で周囲を破壊してしまう。外見はほぼ赤ん坊。漫画版はファンクラブ会報である「鉄腕アトムクラブ」にのみ登場し「少年」では登場せず、アニメ第1作では第165話より登場している。
人間お茶の水博士
お茶の水博士
声 - 勝田久（第1-3作）、西村知道（ハリウッド版）、伊井篤史（近年のCM）、寺島拓篤（アトム・ザ・ビギニング）、岐部公好（ろぼっとアトム）、多田野曜平（GO!GO!）、古川登志夫（「PLUTO」）現科学省長官。トレードマークの鼻は、作者である手塚治虫の団子っ鼻に由来する。ウランやコバルトなどのロボットを造り、アトムの良き理解者でも保護者でもある。鼻に特徴のある顔立ちは手塚治虫の作品中、「火の鳥」など多くの作品に継承されている。アトムの生みの親と誤認されることが多いが、正確にはアトムの「育ての親」に当たる。お茶の水という名前の由来は御茶ノ水駅である。曾孫はタイムマシンの発明者。英語版ではDr. Elefun（Ele+Fun＝電子工学愛好者、Elephant＝鼻が象のように大きい、というダブルミーニング）、Dr. O'Shayなどの名前になっている。@media screen{.mw-parser-output .fix-domain{border-bottom:dashed 1px}}作中では語られないが「火の鳥」に登場する猿田彦を始祖としており、猿田彦を始祖とする者は彼の犯した数々の悪行を清算するために酷い目にあう宿命にあるが、罪の清算が終わりつつある結果としてお茶の水博士が設定され、アトム作中でお茶の水博士が事件に巻き込まれ酷い目にあったり果ては死にかけたりするのはまだ罪が残っているためらしい。[要出典]その体格と推定される年齢（1935年生まれの68歳）から緩慢な動作が多いが、原作ではロボットの国ロボタニア創立を目指したロボット「青騎士」（ブルー・ボン）を、不意をつき破壊したブルグ伯爵へ連打を浴びせ、最後はトレードマークの鼻でくい打ちにしたこともある。
天馬博士
声 - 横森久（第1作）、大木民夫（第2作）、大和田伸也（第3作）、役所広司（ハリウッド版）、中村悠一（アトム・ザ・ビギニング）、津田英三（「PLUTO」）本名は天馬午太郎。丙午生まれ[注 19]。アトムの生みの親。群馬県出身。練馬大学卒業。幼くして事故死した息子、飛雄への思いからアトムを製作する。しかし、アトムをサーカスに売ってからはアトムに会うことはほとんどなく、隠遁者として生活している。技術者としては非常に優秀であり、お茶の水博士よりも高い技術を有する。一方で高級官僚的エゴイズムをも持ち合わせている。実は生物学者でもあるらしい[注 20]。