Ogni notte, nei vicoli più reconditi della metropoli futuristica di San Fransokyo si improvvisano i ring delle competizioni clandestine più acerrime e avanguardistiche, i bot fight, o le lotte tra robot. Il quattordicenne Hiro Hamada, prodigio della robotica, è un insospettabile campione di tali tenzoni che lo portano inevitabilmente a rimanere invischiato in guai più grossi di lui, allorché vince grosse scommesse contro i veterani dell'azzardo. A salvarlo c'è però sempre il fratello maggiore Tadashi, che cerca di allontanarlo dalla pericolosa passione per i bot fight. A tal fine, Tadashi cerca di convincere Hiro ad entrare con lui nell'élite del San Fransokyo Institute of Technology. Dopo una visita presso il 'covo dei geeks', dove Tadashi presenta a Hiro i suoi sodali Gogo, Honey Lemon, Wasabi e Fred e il suo progetto Baymax, un robot gonfiabile inteso a fornire ausilio sanitario sia fisico sia psicologico, il genio teenager è più che convinto. Ma la sera della fiera di presentazione dei progetti di ammissione all'istituto, dove Hiro primeggia grazie ai suoi mirabolanti micro-bot, in grado di dar forma a qualsiasi proiezione della mente di chi li comanda, l'Istituto è d'improvviso avvolto dalle fiamme di un incendio in cui Tadashi perde la vita...