フレッドの家に集まったヒロたち。フレッドはヨウカイの正体は実業家のアリステア・クレイで、研究発表会でクレイがヒロのマイクロボットを謙渡しようとしたのを、ヒロがそれを断ったからではないかと推理する。ヒロは信じようとしなかったが、ベイマックスがヨウカイのスキャンをした事を知り、まちじゅうの人をスキャンしヨウカイを捕まえようとする。それぞれの研究にあわせたスーツを開発、ベイマックスのアーマーもより戦闘的なものに改良してロケットパンチを搭載、強化スキャナーと飛行機能も加えてバージョンアップを果たす。
そこへ再びヨウカイが現れ、ヒロ達を攻撃する。マイクロボットを駆使するヨウカイにヒロ達は立ち向かうが、初の実戦でそれぞれが好き勝手に能力を使ったため翻弄されてしまう。しかし戦いの最中、なんとかヒロはヨウカイの仮面を奪うことに成功。その正体は、火災によって死亡したと思われていたキャラハン教授だった。キャラハン教授は火災の中に取り残されるも、マイクロボットを耐火シェルターとして使い生還していたのだ。ヒロはキャラハン教授が結果的に兄を見殺したのではないかと激怒し、ベイマックスからケアデータを抜き取って教授の殺害を命令する。仲間たちは暴走するベイマックスを止めようと必死になり、ベイマックスにケアデータカードを再挿入したが、キャラハン教授はその隙をついてマイクロボットとともに施設から姿を消していた。ヒロは反対を押し切って尚もキャラハン教授を追跡するが、スキャナーの破損により失敗に終わる。
失意の内に自宅へ戻ったヒロは、ベイマックスから再びケアデータカードを抜き取って戦闘モードにしようとするが、ベイマックスは拒否し、かわりにタダシが「大勢の人を助けるために」と不眠不休でベイマックスを開発した際の記録映像を再生する。自分が間違っていたことを悟ったヒロは、仲間たちに謝罪し、今度こそキャラハン教授を逮捕し、兄のように人を助けるために自分の才能を使うことを誓う。そしてヒロ達は、残りの録画映像から転送装置の事故で行方不明になったパイロットがキャラハンの娘アビゲイルだったことを知り、キャラハンがマイクロボットを使ってクレイに復讐しようとしていた事を突き止める。