Далёкое будущее. Хиро Хамада, четырнадцатилетний гений робототехники, живёт в городе Сан-Франсокио. Окончив школу, он проводит большую часть своего времени, участвуя в незаконных боях роботов. Чтобы исправить Хиро, старший брат Тадаши отвозит его в свой институт, где юный гений встречает новых друзей: Хани Лемон, ГоГо, Васаби и Фреда.
Тадаши показывает Хиро своё изобретение — медицинского робота Бэймакса. После этого Хиро знакомится с профессором Каллаган. Через некоторое время он подаёт документы в университет и подписывается на научную ярмарку. На ярмарке Хиро представляет свой проект — микроботов, маленьких роботов, которые могут соединяться друг с другом и образовывать единый механизм. Хиро отклоняет предложение бизнесмена Алистера Крея, который хочет купить его технологию, и профессор принимает его в университет. После этого случается пожар. Тадаши бежит в университет, чтобы спасти профессора Каллагана, и погибает.
Несколько недель спустя, пребывая в депрессии от потери брата, Хиро случайно активирует Бэймакса. Робот находит уцелевшего после пожара микробота. Хиро рассказывает Беймаксу, что микроботы связаны между собой, и робот ведёт его на склад. Там они обнаруживают, что кто-то наладил массовое производство микроботов, и видят человека в маске. Тот нападает на них, и Хиро с Бэймаксом убегают.
После этого Хиро делает из Бэймакса боевого робота. Незаметно для Хиро Бэймакс звонит его друзьям из института. Вместе с верным роботом Хиро выслеживает человека в маске, после чего к нему присоединяются его друзья.
Группа отслеживает человека в маске. Друзья считают, что это — Алистер Крей, обосновавшийся в заброшенной лаборатории на острове. Раньше лаборатория использовалась для исследований телепортации, и во время которых погиб лётчик-испытатель. На них снова нападает человек в маске. Группе удаётся лишить его маски. Преступником оказывается профессор Каллаган, которого спасли микроботы во время пожара.
Хиро понимает, что Тадаши погиб напрасно, но профессор отказывается брать на себя ответственность за его смерть. Это побуждает Хиро снять с Бэймакса чип здравоохранения, оставляя только боевой чип, чтобы Бэймакс смог убить Каллагана. Хани Лемон повторно устанавливает чип здоровья в Бэймакса, отменяя приказ об уничтожении. Каллаган убегает, и Хиро возвращается домой.
Дома Хиро пытается снять чип здравоохранения с Бэймакса, но робот его останавливает и показывает видео с Тадаши, но котором тот тестирует Бэймакса. Хиро успокаивается. Приходят его друзья, и он извиняется перед ними.
Друзья узнают, что лётчика-испытателя звали Эбигейл Каллаган — она дочь профессора Каллагана. Друзья приходят на выступление Алистера Крея и видят, что профессор Каллаган построил портал. После битвы друзья лишают профессора микроботов и маски, но портал остается активным. Беймакс обнаруживает Эбигейл внутри портала живой, но спящей.
Хиро с Бэймаксом прыгают в портал. Они находят Эбигейл, но на обратном пути Бэймакс повреждает броню и двигатели. Используя ракетный кулак, робот спасает Хиро и Эбигейл ценой своей жизни. Эбигейл везут в больницу, а профессора Каллагана — в тюрьму.
Некоторое время спустя Хиро обнаруживает чип здоровья в ракетном кулаке Бэймакса. Он перестраивает Бэймакса, и друзья продолжают совершать подвиги, исполнив мечту Тадаши помогать нуждающимся.