Cette année, à l'université de San Fransokyo, tout le monde attend avec impatience de découvrir la nouvelle création de Hiro Hamada, jeune inventeur de génie de quatorze ans : les micro robots, des nano robots capables de prendre n'importe quelle forme. Mais alors que l'avenir lui sourit, Hiro perd son frère dans une expérience secrète ! C'est alors qu'il découvre que ses micro robots ont été copiés par un mystérieux homme masqué ! Hiro se tourne vers son plus proche compagnon et ami, le robot-soignant Baymax, création de son frère Tadashi, qu'il décide de transformer en robot de combat ! Parviendront-ils à déjouer les plans du mystérieux homme masqué ? Les amis de Tadashi l'aideront-ils dans son combat ?