在原作的官方設定中，小金剛的生日被設定為2003年4月7日。小金剛的製作者是天馬博士，他是根據自己因交通事故去世的兒子天馬飛雄的樣貌製作了這個機器人。最初，這個機器人也被稱為「飛雄」，並且擁有人類幾乎相同的情感和各種卓越的能力。然而，當天馬博士意識到トビオ無法像人類那樣成長時，他感到失望，並將飛雄賣給了馬戲團。在馬戲團裡，飛雄被團長改名為「小金剛」（アトム）。
隨著時間的推移，一部新的法律被制定，賦予了具有情感的機器人與人類同等的生活權利。由於茶水博士認識到小金剛的潛力，便將他收養。作為情感教育的一部分，小金剛被賦予了一個機器人家庭和一個家，並且開始在一所人類的小學上學。儘管在學校裡的生活充滿了波折，小金剛還是與同學們建立了深厚的友誼。
小金剛的性格認真且充滿正義感，對於那些處於困境中的人，他總是願意犧牲自己來幫助他們。然而，作為一個機器人，他也經常面臨內心的苦惱與掙扎。在「阿爾卑斯的決鬥」這一篇章中，由於他無法體驗複雜的情感（例如對藝術和自然的感動或恐懼），他感到自卑。為此，茶水博士曾為他安裝了一顆人造心臟，使他暫時擁有人類水平的情感。然而，當他在與綁架了他父母的敵人對戰時，由於恐懼導致他無法動彈，最後人造心臟被健一摧毀，恢復了原來的狀態。
小金剛在官方設定中，身高135厘米，體重30公斤。其電子腦並非位於頭部，而是安置在上半身的球狀部件內，因此頭部只是裝飾。在透視圖中，頭部似乎集中了許多感測器，但在故事中也有過小金剛的頭部脫落，甚至在沒有頭的情況下繼續活動的描寫，這表明他的感測器可能也分布在身體的其他部位。根據「アトム今昔物語」中的描述，小金剛的電子腦是基於1970年代開發的超小型核能電子計算機。
小金剛的胸部有一個維修蓋板，內部配備了簡易修理手冊和替換用的真空管，電源開關也位於此處。在「火星探險」一章中，茶水博士曾為了將小金剛作為手提行李帶上飛機，而將他的電源關閉並放入行李箱中。在原作及第一部動畫中，小金剛的能量補給口設置在胸部蓋板內部和臀部兩處，通過連接加油管進行液體能量補給。在第二部動畫中，胸部蓋板內部被設計為可容納一個小型能源罐的空間，通過更換能源罐來補充能量。關於小金剛的動力裝置，有「原子力馬達」的描述，然而這是否與現代核反應堆相同還不清楚。由於小金剛在劇中經常出現能量耗盡的情況，這表明他的動力系統可能與現代核反應堆存在很大不同。
小金剛使用的能源被稱為「能量管」，在故事中與現代的電力或石油一樣普及，幾乎所有機器人和機械都使用這種能源。根據「アトム今昔物語」的描述，這種能量管是1990年代在美國開發的，當時非常昂貴且用途有限。其成分被認為是鈾化合物，並且在某些情節中，小金剛會去「上廁所」排放使用後的廢棄物。雖然不確定這些廢棄物是否與現代核反應堆的廢燃料相同，但天馬博士曾向他的妻子保證，小金剛不會產生放射性污染。
在飛行能力方面，小金剛在大氣層內依靠體內核反應堆（後來改為核融合反應堆）產生的熱能，將吸入的空氣加熱膨脹以產生推力，從而實現強大的推力和大氣層內的超音速巡航。在宇宙空間中，小金剛通過噴射體內核融合反應爐生成的等離子體來獲得火箭推力，這使他能夠自行突破大氣層並進行太空巡航。此外，核融合反應生成的等離子體也可通過超導磁流體發電技術轉換為電力。
小金剛的人工皮膚由凱夫拉纖維和碳纖維編織而成，具備防水功能，並能抵禦小型火器的射擊。這層外殼內嵌有兩種類型的數千個感測器。一類是感覺感測器，用於感知觸覺和溫度；另一類則是與內置的小型無線接收器連接的通信感測器，使小金剛具備類似拋物面天線的功能，能選擇接收來自人造衛星或其他電波源的信號。此外，小金剛還能探測動物的電場，使他能「看見」在黑暗中或隱藏起來的生物，類似鯊魚的能力。根據「アトム今昔物語」的描述，這種人工皮膚是在1980年代以塑料為基礎開發的，具有卓越的強度和耐熱性。但在數千度高溫下仍會受損，例如在「人工太陽」一章中，小金剛的四肢和體表在高溫下融化，變得像圓木一樣無特徵；在「埃及陰謀團的秘密」一章中，小金剛因為高溫突然進入海水中，導致體表急劇冷卻而出現裂痕。
小金剛的視覺系統位於頭部，能夠在光源微弱的情況下增幅光信號，類似於星光望遠鏡的功能。此外，他的視覺系統還能切換到紅外線或紫外線模式進行觀察。
要實現小金剛這樣的機器人，需要多個執行器和關節的靈活結合，並運用多自由度干涉驅動技術來協調多個執行器以實現高出力和高速動作。這項技術目前由電氣通信大學橫井研究室的橫井浩史教授正在研究，並應用於肌電義肢的開發。
小金剛在飛行時，會將一隻手握拳向前伸出，而另一隻手則擺成蓮花手的姿勢。這個經典的姿勢不僅是他飛行的標誌性動作，也突顯了他作為一個強大且富有正義感的機器人形象。這個姿勢在各種媒體中都被廣泛使用，成為了小金剛的象徵之一。
