Cidade de San Fransokyo, Estados Unidos. Hiro Hamada (voz de Ryan Potter) é um garoto prodígio que, aos 13 anos, criou um poderoso robô para participar de lutas clandestinas, onde tenta ganhar um bom dinheiro. Seu irmão, Tadashi (voz de Daniel Henney), deseja atraí-lo para algo mais útil e resolve levá-lo até o laboratório onde trabalha, que está repleto de invenções. Hiro conhece os amigos de Tadashi e logo se interessa em estudar ali. Para tanto ele precisa fazer a apresentação de uma grande invenção, de forma a convencer o professor Callahan (James Cromwell) a matriculá-lo. Entretanto, as coisas não saem como ele imaginava e Hiro, deprimido, encontra auxílio inesperado através do robô inflável Baymax (voz Scott Adsit), criado pelo irmão.