Astro Bot — это 3D-платформер, в котором игрок управляет маленьким роботом Astro Bot с помощью контроллера DualSense. Набор движений Astro идентичен его предыдущим воплощениям из Astro Bot Rescue Mission и Astro’s Playroom. Он по-прежнему может прыгать, парить в воздухе, наносить удары и атаковать вращением. Возможность плавать под водой также вернулась из Astro Bot Rescue Mission, хотя в Astro’s Playroom ее не было.
Астро, капитан-робот корабля-матки, напоминающего консоль PlayStation 5, и его команда ботов исследуют космос, когда на них нападает зеленый инопланетянин по имени Космический Булли Небулакс и вырывает центральный процессор корабля-матки. Астро без сознания терпит крушение на пустынной планете, а его команда и основные системы корабля разбросаны по всей вселенной.
Астро оживляет свой «Дуал Спидер» — небольшой космический корабль, напоминающий контроллер DualSense. Вместе они начинают активировать спутники и исследовать галактики, чтобы спасти экипаж и восстановить материнский корабль. Команда помогает Астро получить доступ к приспешникам Небулакса, которых он побеждает и забирает у них части корабля-матки: системную память у гориллы Майти Чуви, твердотельный накопитель у осьминога Вако Тако, графический процессор у змеи Леди Веномара, вентилятор охлаждения у хамелеона Меха Леона и обшивку корабля у птицы Фалкон МакФлай. По пути он спасает VIP-ботов (приглашённых персонажей из других игр) и исследует планеты из Ape Escape, God of War, Uncharted, LocoRoco и Horizon.
После того как все детали, кроме центрального процессора, собраны, Астро и его команда садятся на корабли, созданные на основе старых комплектующих PlayStation, и формируют «PlaySquadron», чтобы сразиться с Небулаксом, который на протяжении всей игры досаждал беспомощному центральному процессору. Астро возвращает процессор на место, но когда он и его команда побеждают Небулакса, взорвав космический корабль, к которому он был прикреплен, образуется черная дыра, которая начинает засасывать Небулакса. Небулакс хватает Астро, чтобы утащить его за собой, но команда пытается оттащить Астро. Не желая, чтобы команда жертвовала собой ради него, Астро отпускает их и падает в черную дыру, которая взрывается, превращаясь в сверхновую.
Экипаж оплакивает Астро, и на экране появляются грустные титры, но их прерывает звук падающего на корабль-носитель сломанного Астро. Несколько ботов из экипажа находят запасные части и помогают системам ремонта корабля-носителя восстановить их капитана, который возвращается к жизни. Экипаж празднует возвращение Астро, который снова улетает на своем «Дуал Спидере», и на экране снова появляются титры.
После финальных титров в космосе появляется сильно потрепанный Небулакс и его приспешники.
