19세기 중반. 세계 최초의 만국박람회를 코 앞에 두고 있는 영국. 연구를 위해 미국으로 건너간 발명가 아버지 에디와 할아버지 로이드의 귀향을 기다리는 소년 레이 역시 발명을 좋아하는 사내아이였다. 그러던 어느 날, 레이의 앞으로 정체불명의 금속 볼 하나가 도착한다. 할아버지 로이드가 레이에게 보낸 것이었다.
그런데 이번에는 할아버지와 아버지를 미국으로 초대한 오하라 재단에서 온 남자들이 나타나 볼을 빼앗으려고 한다. 레이는 자신이 발명한 외발자전거를 타고 볼을 껴안은 채 도망가지만 증기차를 타고 쫓아오는 남자들에게 포위당해 결국 만국박람회장 안에 갇히고 만다. 그런데 레이는 그곳에서 미국에 있어야 할 아버지를 만나 볼에 대한 비밀을 듣게 된다.
높은 압력의 증기를 고밀도로 봉입한 볼. 그것은 인류의 역사를 바꿀 수 있는 힘을 가지고 있는 경이로운 발명품 스팀 볼이었다. 재단은 그 힘을 무기로 이용해 사고 팔려고 하는 것이었다. “할아버지는 전쟁을 위해 스팀 볼을 발명한 게 아니다!” 레이와 재단의 스팀 볼 쟁탈전이 격렬해지면서 영국군이 개입하기에 이른다. 이에 레이는 인류의 평화를 위해 스팀보이가 되어 하늘로 날아오르는데…
