19世紀半ば、世界初の万国博覧会を目前にしたイギリス。研究のため渡米中の発明家・父エディと祖父ロイドの帰りを待つレイ少年もまた、発明が大好きな男の子だ。
　そんなある日、レイのもとに謎の金属ボールが届く。祖父のロイドからだ。すると今度は、父と祖父をアメリカへ招いたオハラ財団の使者と名乗る男たちが現れ、ボールを奪おうとする。自作の一輪自走車に乗り、ボールを抱えて逃げ出すレイ。だが蒸気歯車メカで追いかけてくる男たちに捕まり、万国博覧会のパビリオンに閉じこめられてしまう。そこでレイはアメリカにいるはずの父エディと再会し、金属ボールの秘密を知る。超高圧力の蒸気を高密度に封じ込めた球体。それは人類の歴史を塗り変える力を秘めた驚異の発明〈スチームボール〉だったのだ！　財団はその力を兵器として世界中に売りさばこうとしていた。
「おじいちゃんは、戦争のためにスチームボールを発明したんじゃない！」
　レイと財団のボールをめぐる争いは、やがてイギリス軍までが出動する大騒ぎになる。その騒動の中、スチームボールのさらなる秘密が明らかに……。科学とは、人類の希望なのか、それとも禁断の知識なのか。科学の持ちうる真のパワーを信じ、レイは《スチームボーイ》となって大空へ飛びたつ！