과학자 김 박사의 아들이자 세계적인 태권 소년 김훈은 태권도 선수권대회 결승전에서 미국의 리차드 쇼오와 대결해 이긴다. 하지만 경기 후 병원에 입원했던 쇼오가 의문의 실종을 당하고, 프로레슬링, 검도 등 세계적인 경기에서 패한 유망주들이 속속 납치되는 사건이 뒤를 잇는다.

어떤 범죄조직의 위험한 음모가 도사리고 있을 거란 세간의 추측 속에 김 박사는 만약의 사태를 대비해 초합금 슈퍼로봇 태권 V 제작에 박차를 가한다.

이때 과거 김 박사의 동료였던 세계적인 물리학자 카프 박사의 딸이라는 메리가 나타나 아버지의 행방을 묻는다. 김 박사와 카프 박사는 만약의 침략자에 대비해 지구의 평화를 지킨다는 명목하에 로봇 연구를 하던 사이. 하지만 머리가 크고 체구가 왜소한 카프는 ‘추악한 외모로 성격이 삐뚤어져’ 슈퍼로봇을 이용해 세계를 정복할 야욕을 키운다.

세계과학자대회가 열리던 날 역시 작은 키 때문에 수모를 당한 카프는 복수를 다짐하며 사라진 뒤 아직 모습을 드러내지 않았다.

김 박사네에 머물던 메리는 밤에 연구소에 들어가려다 경계장치로 한 팔이 부러지면서 로봇임이 드러난다. 김 박사에게 수리를 받은 메리는 훈이와 영희 등 인간적인 관계를 보며 자신도 인간이 되고 싶다고 느낀다. 메리는 태권 V 설계도를 훔쳐 달아나고 그 과정에서 김 박사가 죽는다.

훈이는 아버지의 뜻을 받들어 영희 아버지인 윤 박사의 조언 아래 태권 V를 훈련시키기 시작한다. 태권도 동작을 완벽하게 소화해내고 윤 박사가 개발한 광자력빔을 무기로 가진 태권 V는 도시를 파괴하는 메리 로봇 등과 맞서 일단 승리를 거둔다. 붉은 제국의 기지로 돌아간 메리는 인간이 되고 싶다는 마음과 기계로봇으로 세계를 제패하겠다는 말콤의 야욕이 헛되다는 느낌으로 갈등한다.

그러던 중 납치되어 세뇌당할 위기에 놓인 윤 박사를 탈출시킨다. 윤 박사의 구조요청을 받은 태권 V의 훈이와 영희는 붉은 제국의 기지가 숨겨진 사막으로 날아가고, 지구군과 함께 결전을 벌인다. 쇼오 등 실종됐던 선수들은 패배에 대한 복수심과 세뇌공작으로 인해 각각 붉은 제국의 로봇조종사가 되어 훈이의 태권 V와 대적한다. 태권 V와 최후의 일합을 겨루는 붉은 제국의 수뇌 말콤은 인조인간의 탈을 쓴 카프 박사임이 드러난다.