Hiro Hamada, un jeune génie de la robotique, fait très bon usage de ses habilités grâce à son brillant frère Tadashi et leurs amis: l’accro à l’adrénaline Go Go Tamago, le tiré à quatre épingles Wasabi, la bosse de la chimie Honey Lemon et leur admirateur Fred. Quand les acolytes sont capturés alors qu’ils mènent une dangereuse mission dans les rues de San Fransokyo, Hiro se tourne vers son fidèle compagnon, le robot Baymax, et transforme ses amis en des héros à la fine pointe de la technologie déterminés à percer le mystère initial.
Le film s’inspire de la bande dessinée du même titre de la compagnie Marvel.