Hiro Hamada, un génie de la robotique, va apprendre à maîtriser et exploiter son talent grâce à son frère, le brillant Tadashi, et à leurs amis GoGo Tomago, accro à l'adrénaline, Wasabi, un maniaque de la propreté, Honey Lemon, une chimiste surdouée, et Fred, fanboy convaincu. Lorsqu'ils se retrouvent embarqués dans un complot criminel qui menace de détruire la ville de San Fransokyo, Hiro transforme toute la petite bande accompagnée de Baymax, un robot gauche et naïf, en un groupe de super-héros high-tech déterminés à résoudre le mystère.