入学するためには、大学の研究発表会でタダシの恩師でありロボット工学の第一人者であるキャラハン教授をうならせる独創的な発表をしなければならない。タダシや大学の仲間たちの協力の下、ヒロは発明品を完成させ、発表会でプレゼンテーションを行なう。ヒロの発明したマイクロボットは指先ほどのサイズしかないが、互いに引き寄せあって集合体を形成する特性を持ち、操作者の頭部に装着した神経トランスミッターでコントロールすることで、その集合体を瞬時に思うままの形状に変化させることができるという画期的な発明品だった。発表は大成功をおさめ、ヒロはキャラハン教授から直々に入学を許可される。しかしその直後、会場で火災事故が発生。タダシは建物に取り残されたキャラハン教授を助けようと炎の中に飛び込み、帰らぬ人となってしまう。ヒロは、兄のタダシだけでなく、尊敬するキャラハン教授、マイクロボットを一度に失う。
タダシの死以降、ヒロは心を閉ざして部屋に引きこもっていたが、彼が思わず発した言葉によってベイマックスが起動し姿を現す。ベイマックスはタダシに与えられた「傷ついた人の心と体を守る」使命に従いヒロの痛みを癒そうと試み、ヒロの手元に唯一残されていたたった一つのマイクロボットの反応を頼りに、街の探索を始める。街に出たベイマックスを慌てて追ったヒロは、彼と共に古びた倉庫にたどり着くが、倉庫の中ではあの火災で失われたはずのマイクロボットが大量に生産されていた。二人はそこで謎を秘めた仮面の男ヨウカイ に遭遇し、男の操る大量のマイクロボットに襲われながらも、命からがら逃げ帰る。
一連の出来事から、タダシの死が事故ではなくマイクロボットを狙った者による犯行なのではと推理したヒロは、兄の死の真相を知るために仮面の男と対峙する決意をする。彼はベイマックスに戦闘用のプログラムを組み込み、バージョンアップする。港でヨウカイに迫ったヒロだが、その圧倒的な力を前にしては逃げる事しかできず、ヒロを心配して追いかけてくれた仲間たちに助けられて何とか窮地を脱する。