木江田博士はタイムマシン「タイムボカン」の試運転に出かけたが、行方不明となってしまう。帰ってきたのはオウムのペラ助と世界最高級の宝石「ダイナモンド」だった。木江田博士の孫娘・淳子と博士の助手の丹平はコンビを組み、どこかの時代に消えてしまった博士をタイムトラベルしながら探すが、ダイナモンドを狙う悪玉トリオがその道中で邪魔をする。
その後、木江田博士は現代に帰還し丹平たちと再会する（27話）。それ以降は、悪玉トリオのダイナモンド入手の阻止や、ペラ助の故郷探しなどの旅をする。
ミニカーを売るためのアニメという発想で、1966年のアメリカ映画『グレート・レース』の影響を受けたカーレースものが源流である[要出典]。1972年頃には「時空を超えた善悪のタイムマシンによるコミカルな競争」という本作の企画が決定。『タイマー大混戦』とタイトルがつけられて、その時点でメカブトンのデザインは出来上がり、15分のパイロットフィルムを制作。このパイロットフィルムは1話の数シーンやオープニングに一部流用された。パイロットフィルムでの淳子は金髪だったため、本編では青の髪だった淳子の髪はその流用されたカットで金髪になっている。
タツノコプロでは当時、ハードなアクションものが続いたためギャグものを、ということだったが、ギャグにしてはタイムトラベルやメカの要素などが盛り込まれた本作は、監督の笹川ひろしによると中途半端な印象を与えたといい、スポンサーがつかずに放映決定まで3年を要することになった。主人公の名前は当時の人気アイドルから取られ、野口五郎と天地真理から五郎と真理だったのが、3年の経過により、アイドルの人気の変遷から、真理が桜田淳子から取った淳子になっており、放送の決定後、タイトルが『タイムボカン』と改められた。
丹平と淳子及びマージョは2つの山形の隆起がついたヘルメットを常に着用している。この隆起のモチーフは、キャラクターデザインを担当した天野嘉孝によれば、ブラジャーである。
マージョ、グロッキー、ワルサーの「悪玉トリオ」には決まった名称は無いが、後年の出版物では便宜上「マージョ一味」と呼ばれている。木江田研究所での会話をあの手この手で盗聴し、丹平たちが出た後を追跡し、木江田博士からダイナモンドの場所を聞き出す事を狙う。
当初2クール26話を予定していたが、好評のため2クール、その後さらに1クール延長され、最終的に全61話となった。当初の目的の一つだった木江田博士と中盤で再会するのはその名残である。
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ダイナモンド
本作の探査対象であるダイナモンド（Dynamond）は、「宇宙一高価で、ウラン以上の爆発力を秘める宝石」とされている。名前の由来はダイナマイト＋ダイヤモンド。また、dyna-は「力」を意味する接頭語でもある。
25話においてマージョ一味はダイナモンドを利用したダイナモンド光線銃で、シャーウッドの森を一瞬にして大爆発させている。その実態は隕石で空気に触れる事でただの石になってしまい、最終回で探し当てたダイナモンドも、長年の空気との接触でただの石になってしまった。
なお、常にカットされた宝石で登場しており、原石では出てこない。
また、最終回のサブタイトルは正しくは「ダイナモンドを発見だペッチャ」だが、本放送時の番組表では誤植のため「ダイヤモンドを発見だペッチャ」と書かれていた。
丹平（たんぺい）
声 - 太田淑子
木江田博士の助手として働く男の子。メカに強く、運動神経も抜群であり、博学多才で歴史にも強いが、少しおっちょこちょい。熱血、純真、勇敢を兼ね備えている。淳子、チョロ坊、ペラ助からは「丹平ちゃん」と呼ばれている。破損したタイムボカンを修理することが出来るらしく、台詞の中にもそれを思わせるものがある。親兄弟などの背景は描かれておらず、学校に通っている様子も見受けられないため、人物像としてはシリーズ中で最も不明な主人公。13歳。
淳子（じゅんこ）
声 - 岡本茉利 （34～36話は横沢啓子が代役）
木江田博士の孫娘。博学多才な大和撫子。祖父思いの優しい娘である。面倒見が良くみんなから慕われている。泣き虫だが芯は強い。カワイコちゃんに弱い丹平を諌めることもしばしば。10歳。名前の由来は桜田淳子から。
代役を務めた横沢は3話でのゲスト出演がデビュー作となった。
チョロ坊（チョロぼう）
声 - 桂玲子
丹平が作ったロボット。知能は幼稚園児並み。初めはペラ助を目の敵にしていたが、次第に仲良くなった。動力源は背中のゼンマイ。ただし、ゼンマイが切れても歩行出来なくなるだけで本体は動作可能。口部から火炎を吐く。
木江田博士（きえたはかせ）
声 - 槐柳二
淳子の祖父。世界的な科学者でタイムボカンの試運転に出かけた際にペラ助にタイムボカンを奪われてしまい、27話で生還するまで消息不明だった。帰還後は丹平たちと冒険に同行し、ダイナモンドを追う。時々ダイナモンド調査を丹平達に任せて留守番する事もある。60歳。
ペラ助（ペラすけ）
声 - 滝口順平
博士の消息を知る唯一のキャラだが、いい加減な証言が多い。唯一怖いのは妻のオタケさん。かなりの食いしん坊であり、シュークリームが大好物。後半に入るとマージョ屋敷に潜入し、マージョ一味がダイナモンド探しに出ようとする一部始終を見聞きして丹平たちに知らせることがよくあった。語尾は「～だペッチャ」。タイトルの読み上げ、次週予告のナレーションも担当。
オタケさん
声 - 遠藤晴
ペラ助の奥さん。いつも旦那であるペラ助をこき使って楽をしていた。ペラ助がいなくなった後は博士とともに共同生活をしていた。内心はペラ助のことを愛している。なお、遠藤は31話「夢見るシンデレラ姫だペッチャ」において継母役として出演している。
悪玉
マージョ
声 - 小原乃梨子
悪玉トリオの女ボス。30歳。己の欲望のためなら手段を選ばず、とりわけ丹平たちに対しては殺意さえ持っているなど、後のシリーズにおける女ボスよりも若干過激な性格。27話では実際に、後のタイムボカン2号となるドタバッタンの元来の所有者である昆虫人を3体も、彼等の持っていたブラスターで射殺している。歴代の三悪史上で唯一殺戮を行った女ボスである。しかし、根は意外と純真でお茶目。嫌いなものはヘビ、お化け、ジェットコースター、ネズミ。丹平たちと同じく2つの大きな隆起のついたフードを着用している。名前の由来は「魔女」から。なお、小原は60話ではシンドバット役も兼任した。
グロッキー
声 - 八奈見乗児
25歳。優秀な頭脳を持っており、木江田博士の所で筆頭の助手として働いていたが、実はマージョの命によりタイムマシンのノウハウを盗むためにスパイをしていた。一味の元に戻った後はメカの開発を担当する。一人称は主に「私」だが、稀に「俺」になる事がある。無類の女子高生好きだが、本心ではマージョと結婚したいと思っており、一味に入った理由もマージョに一目惚れしたからである。逆三角形型の輪郭に足先の長い靴のような赤っ鼻と大きな出っ歯がトレードマークでワルサーからは「ヒゲらっきょう」と呼ばれた事がある。この容姿の特徴は後のタイムボカンシリーズの三悪の頭脳系キャラ全般に、おおよそは受け継がれている。名前の由来は、いつもマージョにこき使われてフラフラになる意味の「グロッキー」（正しくは「グロッギー」）から。また、何時の間にかメカを開発するその速度の速さから、「クロッキー」からもきている。
ワルサー
声 - 立壁和也（現・たてかべ和也）
35歳。語尾に「～まんねん」と付けるなど関西弁風の台詞を使うが、関西出身かどうかは不明。一味では持ち前の馬鹿力を生かし、善玉との肉弾戦や力仕事を担当。外見とは裏腹にヘビやお化けを怖がったりする一面もある。後年の歴代三悪における怪力系キャラの礎はこの時点で既にほぼ完成されている。また、メカの操縦にも積極的に関わる。グロッキーとともに極端な猫背。名前の由来は「悪さばかりしているから」もしくは銃器メーカーの「ワルサー」から。
その他
ナレーター
声 - 富山敬
本放送当時のスタンダードスタイルよりは若干くだけた、視聴者に語りかけるような、「みんな、○○は知ってるかな？」「来週も丹平君たちを応援してね！」などの優しい語りが特徴。また、富山は劇中のゲストキャラの声も演じていた。
登場メカ
善玉
タイムボカン（タイムメカブトン／タイムドタバッタン／タイムクワガッタン）
木江田博士が作り上げた、昆虫を模したデザインのタイムマシンメカ群。1話で丹平が「タイムボカンはメカブトン、ヤゴマリン、テントウキの3機から成る」と説明していたとおり、メインとなる大型（母艦）メカの中に2機の小型（機動）メカが搭載されたスタイルが基本である。
物語前半は専らカブトムシ型のメカブトンが活躍していたが、木江田博士帰還後にはメカブトンに加えて、元々昆虫人が過去の人間界を征服するために乗っていたメカを改良したバッタ型のドタバッタンと、帰還後に木江田博士が作り上げたクワガタムシ型のクワガッタンの3種の中から目的地により、最適なメカをコンピューターが自動的に選択して出動するようになった。
「タイムボカン」の名前はいずれのメカも航時機能使用時に時空に穴を明ける為に相当な爆発を引き起こすという特徴がある事から、爆発音に由来するものだが、他にも大型メカに小型メカを複数格納している事から母艦という意味合いも持っている。
タイムメカブトン（タイムボカンI）
カブトムシ（雄）型メカ。ボディーは青色。ツノの先は回転させることが可能で、ドリル状に使用して地中を掘り進める。他の二台とは異なり足の類は無く、通常は機体下部から展開する車輪によって地上を移動する。飛行時にはオープニングの1シーンにも見られる通り機内に収納後、本物のカブトムシの様に前翅を展開し、羽の下の本体より翼を出して飛行する。背中にはテントウムシ型の小型飛行機・テントウキ、腹部にはヤゴ型の小型水中探索機・ヤゴマリンが搭載されている。
製造直後はコクピットを含めた機内全体が重力異常状態に陥ってしまい、乗員及び搭載物に強烈なGがかかる上機内を無軌道に移動させられることになった。これはオープニングで毎回の様に描かれたので非常に印象強い。木江田博士の帰還後に機体が整備されると共に重力異常状態が改善されたらしく、この様な描写は無くなっていった。ちなみに動力源は後部エンジンユニットに搭載される巨大乾電池状のエネルギーパック2本らしい。戦闘では主に羽と角が破壊される事が多い。
搭載機であるテントウキは、機体の下から円筒形のパーツを展開、その基部に備え付けられた車輪によって陸上走行も出来る。この部分は、テントウキの飛行中は機体内に収納されているものと推測される。その他、羽の星の部分からマニピュレーターをはじめとする様々な道具、あるいは武装を展開する事が出来、タツノコの名作『ガッチャマン』におけるG-4号の様な“玉手箱メカ（ガッチャマンの企画書の記述より）”振りを発揮した。テントウキは同番組の前身企画における主役機「タンマータンク」のデザインを流用したもの。母艦であるメカブトンの登場回数が多い事もあり、各機に搭載されたメカの中でも活躍度および印象度は随一。OPにて単体でのタイムワープが可能な様な描写があったが、本編ではその様な機能はないとされた。
メカブトンの呼称は作品中ではほとんど使用されず、単に「タイムボカン」とか「タイムボカンI」と呼ばれることが多かった。
タイムドタバッタン（タイムボカンII）
ショウリョウバッタ型のメカ。ボディーは緑色。27話で木江田博士をさらった昆虫人が現代に残したタイムマシンを博士自身の手で改良され、29話よりタイムボカンメカ2号として使用した。飛行時には足を後ろに伸ばす。シャクトリムシ型の小型偵察機・シャクトリン、ホタル型の小型作業用ヘリ・ヘリボタルが搭載されている。マージョには「タイムドッタリバッタリ」と呼ばれている。
物語後半では数多く使用され、最終回で使用されたマシンもドタバッタンだった。
バッタを模しているためか、戦闘においては脚部が必ずと言っていいほど敵のターゲットにされ、破壊された。ただし本体腹部にはキャタピラが内蔵されており、脚が折れても移動に支障は無い。
タイムクワガッタン（タイムボカンIII）
クワガタムシ型のメカ。ボディーは赤茶色。木江田博士が帰還後に製作し、29話で配備され、33話で初出動した。ドタバッタンの様な脚を持ち、脚先にはメカブトンの様に車輪も搭載している。飛行時には前翅が展開し、竹とんぼ状のローターを持つ大型ヘリコプターとなる。ハチ型の小型偵察メカ・ビーチクリン、ダンゴムシ型の小型地上進行用メカ・ダンゴロリンが搭載されている。
ナレーターも「パワーが強い」と言及しており、仕様からも判る通り、他のタイムボカンのノウハウが全て注ぎ込まれた高性能メカのはずだが、移動の要である四肢とプロペラが貧弱であり、戦闘ではよく破壊される。戦闘では巨大な顎を武器として使用しており、マージョ一味に逆襲する際にもこの顎によって何度も窮地を脱した。
知名度も含めて今一つ他機に及ばない印象が強いものの、回を追うにつれてクラッシュが激しくなったメカブトンやドタバッタンよりも比較的外部損傷度は低い。
竹とんぼを模しているからか、ローターは前翅が展開した一つしかないが、後部に噴射ノズルがあるのでちゃんと飛行出来る。