Hiro Hamada es un adolescente curioso al que le encanta la robótica. Acaba de perder a su hermano Tadashi cuando éste estaba a punto de destapar una peligrosa red criminal encabezada por el misterioso Yokai, un villano enmascarado. Para llenar su pérdida se apoya en Baymax, un enorme robot bonachón creado por su añorado hermano, que pronto se convierte en su mejor amigo. Juntos, reúnen a los amigos de Tadashi y, convertidos en auténticos superhérores, forman un equipo para intentar derrotar a los delincuentes y acabar con el peligroso villano que sueña con destruir la tecnológica ciudad de San Fransokyo.