Hiro Hamada est devenu un génie de la robotique grâce à son frère Tadashi. Suite à la disparition de ce dernier, il noue des liens avec ses amis : le turbulent GoGo Tamago, le maniaque Wasabi No-Ginger, la brillante Honey Lemon et Fred, un geek convaincu. Avec l'aide du robot Baymax, la petite bande tente de déjouer un complot qui menace la ville de San Fransokyo.