Hiro est un jeune garçon intelligent qui habite la ville de San Fransokyo. Lorsque son frère aîné Tadashi l'amène dans les laboratoires de l'institut de technologie, Hiro n'a qu'une idée en tête : étudier dans cette école. Il présente donc un projet révolutionnaire qui lui permet d'obtenir sa place parmi les génies. Mais, un terrible incendie fait rage ce soir-là et son frère succombe dans les flammes. Hiro perd donc toute motivation, scolaire et personnelle, jusqu'à ce qu'il rencontre Baymax, un robot infirmier, imaginé par son frère. Avec son nouvel ami et les anciens collègues de Tadashi, Hiro partira à la recherche du responsable de la mort de son frère.