В футуристическом городе Сан-Францтокио, где технологии будущего стали обыденностью, живет юный гений Хиро Хамада. Его талант к созданию невероятных роботов не знает границ, но настоящей опорой и вдохновением для него всегда был старший брат Тадаши. Вместе они мечтали изменить мир, учась в престижном Технологическом институте. Однако внезапная трагедия, унесшая жизнь Тадаши, рушит вселенную Хиро, погружая его в пучину отчаяния и утраты смысла.

Выбравшись из глубин горя, Хиро обнаруживает, что за фасадом несчастного случая могут скрываться зловещие тайны. Он начинает собственное расследование, в котором ему помогают верные друзья и самое неожиданное творение – созданный его братом медицинский робот Баймакс. Этот пухлый и невероятно добродушный компаньон, чья единственная программа – забота о здоровье человека, становится ключом к разгадке. Вместе они выходят на след загадочного злодея, похитившего революционную технологию нано-ботов, способную материализовать любую мысль и представляющую невероятную угрозу. Чтобы противостоять этой опасности, Хиро предстоит совершить невозможное – переосмыслить саму суть своего изобретения и превратить миролюбивого Баймакса в непобедимого защитника города, вступив в схватку, где на кону стоит будущее всего мегаполиса.