Hiro Hamada ist ein 14-jähriger Junge, der in der futuristischen Stadt San Fransokyo, einer Mischung aus San Francisco und Tokio, lebt und seine Zeit für illegale Bot-Kämpfe verschwendet. Sein älterer Bruder Tadashi, der es nicht gut findet, dass Hiro sein Potenzial so verschwendet, nimmt ihn zu seiner technischen Universität in sein Labor mit. Dort lernt Hiro Tadashis Freunde kennen, Gogo Tomago, Wasabi, Honey Lemon und Fred sowie den Roboter Baymax, einen persönlichen Gesundheitsbegleiter, den Tadashi entwickelt hat. Erstaunt über die Forschung entscheidet sich Hiro, auf diese Hochschule zu gehen. Er präsentiert sein Projekt „Microbots“, einen Schwarm von kleinen Robotern, die durch einen sogenannten neurocranialen Transmitter gesteuert werden.