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 Tamago, accro à l'adrénaline, Wasabi, un maniaque du respect des règles, Honey Lemon, une chimiste surdouée, et Fred, un fanboy convaincu. Lorsqu'ils se retrouvent embarqués dans un complot criminel qui menace de détruire la ville de San Fransokyo (une ville hybride entre San Francisco et Tokyo), Hiro se tourne vers son plus proche compagnon, le robot Baymax, et transforme la petite bande en un groupe de super-héros high-tech déterminés à résoudre le mystère et à sauver San Fransokyo.