19세기 중기 산업혁명의 전성기를 누리고 있는 영국 런던. 제1회 만국박람회를 목전에 둔 거리는 사람들의 기대와 활기로 넘쳐있다. 발명가 가문에 태어난 레이 소년도 매일 매일을 발명에 대한 생각으로 보내고 있다. 연구를 위해 도미 중인 아버지 에디와 할아버지 로이드를 귀가를 기다리며

어느 날 레이의 앞에 할아버지 로이드가 보내 금속볼이 도착한다. 금속볼의 도착일 기다리기나 한 듯 오하라 재단의 사람이라 칭하는 사람들이 방문한다. 「레이 그 볼을 넘겨줘서는 안 된다!」라며 갑자기 할아버지 로이드 본인마저 등장하여 볼을 스티븐슨에게 전달하라며 외친다. 레이는 볼을 가슴에 안고 자신이 만든 외바퀴 증기차를 타고 도망간다. 하지만 증기 톱니바퀴 열차를 탄 남자들이 곧바로 레이를 추격한다. 톱니 증기 바퀴차의 힘에 밀린 레이는 도로에서 기관차가 달리고 있는 기차 레일로 밀려 올라간다. 레이를 잡기 위해 증기 바퀴차도 노선을 타고 레이에게 접근한다. 위기 일발!! 그때 뒤를 따르던 기관차가 급가속 하여 증기 메카차를 밀어 내버린다. 레이를 도와준 사람은 우연히 증기기관차에 타고 있던 과학자 스티븐슨과 조수 데이비드였다. 레이가 스티븐슨에게 금속볼을 전달하려는 순간 거대한 비행선에서 철의 손이 나타나 각 차량의 천장을 부수기 시작한다. 레이는 금속볼을 품에 안은 체 비행선에서 발사된 포획용 그물에 붙잡혀 버린다.

레이가 끌려간 곳은 만국 박람회장 내부에 있는 오하라 재단의 파빌리온이었다. 그곳에서 레이는 오하라 재단의 외동딸 스칼렛과 집사 사이먼과 만나게 된다. 그때 육중한 문이 열리면서 엄청난 양의 증기가 방안에 들어 온다. 증기와 함께 나타난 남자는 레이의 아버지 에디였다. 에디는 로이를 데리고 엘리베이터에 올라탄다. 엘리베이터에서 레이는 조부 로이드로부터 받은 금속볼을 발견한다. 이 금속볼의 정체는 초고압의 증기를 고밀도로 압축한 무서운 위력을 가지고 있는 스팀볼이였던 것이다.
게다가 아버지는 레이에게 놀라운 비밀을 털어 놓기 시작한다. 이 파빌리온 자체가 스팀볼로부터 동력을 얻어 경이의 힘을 발휘하는 궁금의 발명품인 스팀성이라는 것을뀉
스팀성의 완성을 위하여 레이는 아버지 에디의 일을 도와준다. 작업 중인 레이를 발견한 스칼렛은 레이를 파빌리온의 밖으로 끌고 나간다. 둘이 향한 곳은 만국 박람회의 메인 회장인 <수정궁>. 스칼렛은 수정궁 안의 유리의 방에서 기분 좋게 춤을 추기 시작한다. 하지만 맨체스터에 돌아 가고 싶은 눈치의 레이를 보고 갑자기 기분이 언짢아 진다.

에디는 스팀성 가동을 위한 시운전 중 파빌리온 안에서 증기가 새어나가고 있다는 것을 알게 된다. 만국 박람회 개회식을 하루 앞두고 급히 서두르는 에디. 중앙기관실의 파이프를 점검하는 레이의 앞에 할아버지 로이드가 나타난다. 에디와의 이념적 대림으로 감옥에 갇혀있던 로이드였지만 감옥에서 빠져 나와 스팀성의 완성을 저지하기 위하여 밸브를 열고 다녔던 것이다. 로이드는 레이를 파빌리온의 격납고로 데리고 간다.
그 곳에는 엄청난 수의 중무장한 증기 병기들이 있었다. 로이드는 이것이야 말로 스팀성의 진정한 모습이며 스팀성이야 말로 악의 발명품이라고 외친다. 「아버지의 생각은 틀린 건가요?」, 불안하게 물어 보는 레이, 「그건 네가 직접 네 눈으로 확인 하여라」라며 스팀볼을 다시 레이에게 맡기는 로이드. 대립하는 아버지와 할아버지를 남겨두고, 지하 수문으로 탈출한 레이는 탬즈강으로 들어간다. 레이를 뒤쫓는 거대한 증기 메카가 움직이기 시작한다. 이때 수면의 안개를 헤치며 위풍당당한 영국 전함이 모습을 드러낸다. 전함에 타고 있던 스티븐슨과 데이비드에게 다시 도움을 받는 레이. 레이는 스팀볼을 스티븐슨에게 전해준다. 상상을 넘는 어마어마한 힘을 내제하고 있는 스팀볼을 어떻게 할지 걱정스러워하는 레이에게 스티븐슨은 이 볼에 대영제국의 존망이 달려있다고 이야기 한다. 경찰을 태운 증기 보트가 파빌리온을 향해 출발한다. 선상에서는 재단의 파빌리온에 모여드는 세계 각국의 군사 담당 전문가들의 모습이 보인다. 이때 만국박람회 메인 회장에는 축포가 울리며 개회식을 알리고 있다. 이 소동 중에 상륙한 경찰들이 오하라 재단의 파빌리온을 둘러싼다. 파빌리온의 내부에서 모습을 드러내는 증기 병사들. 바로 지금이라며 파빌리온에 모인 무기상들을 상대로 병기의 실험을 시작하는 사이먼. 증기병 군단의 위력에 드디어 영국군 전차가 출동한다. 이에 대해 오하라 재단은 하늘에는 증기 비행 병단을 탬즈강에는 수중 병단을 출동 시킨다. 「자아! 슬슬 재미있어 지는군요. 빠져봅시다」라며 전투을 마치 쇼와 같이 선동하는 사이먼. 증기병의 사체를 보게 된 스칼렛은 사이먼의 대책 없는 행동에 대해 화를 낸다. 하지만 전황은 일층 확대. 영국전함의 함포사격을 받아, 검은 연기를 내기 시작하는 파빌리온. 전투의 비참함에 분노가 치밀어 오르는 레이는「할아버지는, 이런 것을 위해 스팀볼을 발명한 것이 아니야!」라며 데이비드의 제지를 뿌리치고 영국측 증기 전차에 설치 되어있던 스팀볼을 빼낸다.

오하라 재단의 파빌리온은 영국군의 집중 포하를 받고 위기에 빠진다. 이 때 에디는 조종실에서 중앙 동력실에 스팀볼 가동의 지시를 내린다. 중앙 동력부에 남아 있는 스팀볼은 두개 뿐, 한 개는 이미 레이가 가지고 가버렸다. 하지만 에디는 남아 있는 전 동력을 집중시켜 스팀성을 가동 시킨다. 그러자 땅을 울리는 굉음과 함께 오하라 재단의 파빌리온의 벽이 허물어 내리며, 검은 철판과 바퀴들로 둘러싸인 스팀성이 본연의 모습을 드러낸다. 「이대로 가면 대폭발이 일어날 꺼야!」 부족한 동력으로 움직이는 스팀성을 눈앞에 두고 레이는, 고장 난 비행 메카를 개조하기 시작한다. 비행 메카는 엄청난 양의 증기를 분출하며 하늘로 치솟아 오른다.
아름다운 런던의 거리, 소중한 사람들, 그리고 과학이 만들어 낼 행복한 미래를 위하여 레이는 <스팀보이>가 되어 지금 하늘로 날아 오른다.