日本初となる30分枠のテレビアニメーションシリーズ『鉄腕アトム』の制作に取り掛かった。
毎週放送のアニメーション番組を実現するために試行錯誤と創意工夫を積み重ねて作り出したさまざまなリミテッド・アニメの手法や様式は、その後の日本のアニメーション制作全般に大きな影響を与えることとなる。
テレビ放送の30分枠用に1本あたり2,000枚分の動画を動画家5名で担当し、一人が1日66枚を仕上げるという苛酷な労働状況が作られることとなった。また作品を破格の製作費で売り込んだことが制作部の首を絞めることになった。手塚がアニメの値段を安くして売り込んだのは、当時の普通のテレビ番組の制作費が50万程度であったことと、安くすればテレビアニメが普及させやすいのと、他の会社と差を付けるためだったと語る。
アニメーターの給料が安いのは手塚のせいであると雑誌で非難されることがあったが、杉井ギサブローは、手塚治虫が独自のリミテッド・アニメの手法を日本に定着させなければ日本は世界一のテレビアニメ生産国にはなっていなかったであろうとも語っている。