Hiro Hamada er et 14 år gammel geni når det gjelder robotikk, og bor i den futuristiske byen "San Fransokyo" som bruker mye av sin fritid på å spille robot-kamper. Hans eldre bror Tadashi tar ham med til et laboratorium ved San Fransokyo Institute of Technology, hvor Hiro møter Tadashis venner, Go Go, Wasabi, Honey Lemon og Fred, og Baymax, en oppblåsbar helse-robot som Tadashi bygde. De møter også Professor Robert Callaghan, leder for universitetets robotikk-program. Hiro bestemmer seg for å søke seg til universitetet.