Hiro é um rapaz inteligente que vive em São Fransokyo. Quando o seu irmão mais velho, Tadashi, o leva aos laboratórios do Instituto de Tecnologia, Hiro tem apenas uma ideia em mente: estudar lá. Por isso, concebe um projeto revolucionário que lhe dará um lugar entre os génios. Mas nessa noite deflagra um terrível incêndio e o seu irmão morre nas chamas. Hiro perde toda a motivação, tanto académica como pessoal, até conhecer Baymax, um robô enfermeiro concebido pelo seu irmão. Juntamente com o seu novo amigo e os antigos colegas de Tadashi, Hiro parte em busca da pessoa responsável pela morte do seu irmão.