Сюжет
Действие происходит в вымышленном метрополисе Сан-Франсокио (слияние слов «Токио» и «Сан-Франциско») — месте, где смешались американская и японская культуры. 13-летний вундеркинд, Хиро Хамада, большой любитель боёв ботов — подпольные игры на деньги, цель которых — при помощи своего боевого робота победить робота соперника. Хиро побеждает, но попадает в полицию вместе со своим братом Тадаши, прибывшим на помощь. Когда их освобождает тётя Кэс, Хиро хочет опять поехать на бои ботов, но Тадаши отвозит его в ВУЗ. Хиро встречает новых друзей — Хани Лемон, ГоГо, Васаби и Фреда. Хани Лемон одержима химией, ГоГо работает над велосипедом с электро-магнитной подвеской, Васаби — над лазерными лучами, а Фред — не студент, а символ института и бешеный фанат науки. Тадаши изобрёл медицинского робота Бэймакса. Директор ВУЗа-профессор Калаган говорит Хиро, что если он хочет поступить, нужно удивить его своим изобретением. Хиро изобретает микро-ботов. Микро-боты управляются при помощи нейронного модуля, они могут заменить перевозки, строительство и многое другое. Калаган даёт пропуск в поступление в ВУЗ. Директор крупной корпорации Алистер Крэй предлагает Хиро, чтобы тот продал ему Микроботов. Хиро отказывается. Через некоторое время в ВУЗе происходит пожар, Тадаши отправляется спасать Калагана и погибает. Хиро из-за скорби не приходит в университет.
Когда Хиро с Бэймаксом видят, что один из оставшихся Микроботов куда-то рвётся, они, используя его как компас, приходят к заброшенному складу, где обнаруживают машину, копирующую микроботов. Внезапно они оживают и нападают на Хиро и Бэймакса. Герои пускаются в бегство. Когда Хиро и Бэймакс оказываются на втором этаже напротив окна, через которое они прошли, то они видят высокого человека в чёрном костюме и в маске Кабуки. Этот злодей, управляя микроботами, выбрасывает их в окно.
Бэймакс (так как он наполнен воздухом) спасает Хиро от травмы. После этого Хиро с Бэймаксом приходят в полицейский участок и рассказывают о случившемся офицеру, но он не верит Хиро. В этот момент Бэймакс разрядился. Хиро решает поймать злодея, создав для Бэймакса броню и дополнительный боевой чип с программой каратэ. Ночью Хиро и Бэймакс хотят поймать злодея. Прибыв в доки, Хиро теряет своего микробота, улетевшего в сторону моря. В этот момент с той стороны появляется сам злодей, и поднимает из-под воды странный объект. Беймакс почти подготовился к бою, как тут прибывают друзья, которым Бэймакс разослал уведомления о плохом настроении Хиро. Случается погоня, но так как Васаби ездит только по правилам, его заменяет ГоГо. В конечном счёте машина тонет и Бэймакс, сняв броню, помогает друзьям добраться до суши. Фред отводит друзей к себе домой. Хиро заметил, что на странном предмете у злодея был логотип в виде красной ласточки. Фред предполагает что Под маской кабуки прячется Алистер Крэй, так как Хиро не продал ему микроботов. Подросток не уверен в этом, но Бэймакс успел просканировать у злодея ДНК. Друзья решают создать свою собственную команду героев, и начинают работу над своим снаряжением, используя свои наработки из ВУЗа.
Благодаря многократно усиленному сканеру, Беймакс обнаруживает, что нужный им человек находится на отдалённом острове. Там команда обнаруживает заброшенный научный центр. Внутри они находят видеозаписи камер наблюдения, в которых было показано, что Крэй создал проект «Бесшумная Ласточка» — проект по созданию порталов. Но этот проект не увенчался успехом. Когда в портал залетел корабль с пилотом, второй портал сломался, и пилот не вернулся. В этот момент на команду нападает злодей. Хиро в конечном счёте срывает маску, но в маске был не Алистер Крэй, а Профессор Калаган. Тот гневным голосом требует вернуть маску. Хиро говорит, что Тадаши хотел спасти Калагана, на что профессор отвечает, что он не хотел, чтобы его спасали. Это приводит Хиро в ярость, и он извлекает медицинский чип Бэймакса и требует, чтобы тот уничтожил Калагана. Бэймакс рвётся убить Калагана, но команда пытается ему помешать. Хани Лемон в последний момент вставляет чип, и профессору удаётся ускользнуть. Хиро злится на друзей, и говорит Бэймаксу, чтобы он отследил Каллагана, но его сканер оказывается повреждён. Хиро летит в свой гараж, чтобы починить сканер, после чего пытается вытащить медицинский чип Бэймакса, но робот не даёт ему сделать это, напоминая, что Тадаши не для этого его создал.
Бэймакс показывает все дубли испытания Тадаши над Бэймаксом. Хиро успокаивается и извиняется. В этот момент появляется остальная команда, прилетевшая на вертолёте Фреда. Хани Лемон говорит, что они нашли ещё записи камеры. Оказывается, что пилотом корабля была дочь Калагана, и теперь профессор одержим жаждой мести Крэю.
В это время Калаган уже взял в плен Крэя и восстановил портал над зданием его фирмы, чтобы уничтожить его и самого Крэя. В этот момент прибывает команда. Хиро пытается отговорить Каллагана от этой затеи, но у него не выходит, и начинается бой. В ходе него Хиро понимает, что пытаться снять с профессора маску бесполезно, и теперь цель команды — загнать как можно больше микроботов в портал. Вскоре у Каллагана не остаётся достаточно микроботов, и Бэймакс ломает его маску, и обезвреживает профессора. Однако портал не выключается, и Крэй говорит, что он скоро взорвётся. Тут Бэймакс обнаруживает в портале женский организм, находящийся в гиперсне и летит туда вместе с Хиро. Внутри они находят капсулу с дочерью Калагана. Бэймакс, взяв корабль, летит обратно к выходу. В ходе столкновения с одним из обломков, Бэймакс серьёзно повреждает броню, и оказывается обездвижен. Сохранился только ракетный кулак. Бэймакс говорит, что может спасти Хиро и Абигейл, но сам выбраться не сможет. Хиро со слезами на глазах говорит, что не хочет потерять ещё и его. Бэймакс запускает корабль к выходу ракетным кулаком и отключается. Хиро вместе с Абигейл выбираются из портала. Абигейл везут в больницу, а Калагана — в тюрьму.
Находясь в университете, Хиро осматривает ракетный кулак Бэймакса, и обнаруживает, что перед тем, как отключиться, он оставил свой медицинский чип в кулаке. Хиро заново создаёт робота. Включившись, Бэймакс снова начинает функционировать так, как будто и не исчезал. В конце Хиро говорит: «Мы не думали становиться героями, но судьба решает всё за нас. Мой брат мечтал помогать людям. Этим мы и займёмся в нашем городе.»
В послетитровой сцене Фред дома разговаривает сам с собой у портрета отца, и случайно открывает секретную дверь, нажав на картину. В помещении он находит супергеройское снаряжение и целый набор супергеройских трусов. В этот момент позади него появляется Стэн Ли, который оказывается его отцом, и, сказав семейную пословицу, обнимает сына, говоря, что им много чего нужно сказать друг другу.
