Некогда гениальный, но немного взбалмошный подросток Хиро Хамада, живущий в футуристическом городе Сан-Франсокио (гибрид Токио и Сан-Франциско), обладает необычайным талантом к робототехнике. Однако его ум и потенциал он тратит на уличные бои роботов, что, как считает его старший брат Тадаши, не позволяет герою развиваться и раскрыться по-настоящему. Брат, также одарённый в области науки, стремится вдохновить младшего братишку и предлагает ему подать заявление в Технический университет Сан-Франсокио, где Тадаши работает над своим проектом — уником робота Баймакса.
Однажды братья отправляются в университетскую лабораторию, и Хиро знакомится с командой Тада. Среди учёных и друзей — юркий гонщик Го-го Томаго, чувствительная химичка Медовая Лимонка, увлечённый лазерами Васаби и фантазёр-комикс-любитель Фред. Наш герой вдохновляется этим креативным и поддерживающим коллективом. Под руководством профессора Роберта Каллагана, уважаемого учёного, он создаёт уникальное изобретение — микроботов, крошечных устройств, которые могут объединяться в сложные конструкции по мысленному приказу их хозяина. Это изобретение производит фурор на научной выставке, и ведущие умы технологий предлагают юноше сотрудничество.
Однако дальше развертываются трагические события. На выставке происходит пожар, и парень, пытаясь спасти профессора Каллагана, героически погибает. Глубоко потрясённый этой потерей, наш телегерой отказывается от своего творчества и впадает в депрессию.
Спасение приходит из неожиданного источника — Баймакс, запрограммированный на помощь людям и их здоровье, "оживает" в мастерской. Добронравный и забавный он становится своеобразным наставником паренька, помогая ему справляться с утратой. Юноша случайно узнаёт, что в городе действует таинственный злодей в маске, который использует украденные микроботы в своих целях. Затаив гнев и жажду мести, он решает раскрыть личность преступника.
