『ASTRO BOY 鉄腕アトム アトムハートの秘密』は、手塚治虫の代表作『鉄腕アトム』を原作としつつ、同氏の他作品群を融合させたクロスオーバー型アクションゲームとして設計されています。本作は2003年版アニメ『ASTRO BOY 鉄腕アトム』の世界観を基盤としながらも、アニメの忠実な再現ではなく、原作漫画およびスター・システムを活用した独自の物語構成を採用しています。これにより、アトムを中心とした多層的なドラマと、手塚作品のキャラクターが多数登場する構造が実現されています。

ゲームシステムは横スクロール型のアクションを基本とし、パンチ・キック・フィンガービームなどの通常攻撃に加え、EXポイントを消費して発動する必殺技（EXダッシュ、マシンガン、アームキャノン）を搭載しています。さらに、ジェット噴射による高速移動や、空中ステージでのシューティング要素も導入されており、ステージ構成に応じた操作体系が求められる設計です。これらの要素は、開発元トレジャーのアクションゲーム設計技術を反映したものとなっています。

本作の特徴的な成長システム「アトムハート」は、アトムが他キャラクターと出会い、理解を深めることで能力のリミッターが解除されるという構造を採用しています。成長可能な能力はライフ、パンチ、レーザー、ショット、ジェット、センサーの6種に加え、アトムハート自体を含めた7種で構成されており、物語進行と能力強化が連動する設計です。これにより、キャラクター収集と育成がゲーム進行に密接に関与する構造が構築されています。

登場キャラクターは『鉄腕アトム』の主要人物に加え、『ブラック・ジャック』『火の鳥』『三つ目がとおる』『ジャングル大帝』など、手塚作品から総勢46名以上が参戦しています。これらのキャラクターは、ゲーム内の名鑑機能によって詳細情報が閲覧可能であり、難易度クリアに応じて「増補名鑑」「究極名鑑」へと進化する設計です。シナリオは2部構成で展開され、時間移動による過去改変とロボット弾圧の謎解きが主軸となっており、アクションとアドベンチャー要素が融合した構造となっています。