W San Fransokyo czternastoletni Hiro Hamada jest małym geniuszem, który zarabia na nielegalnych walkach robotów. Jego starszy brat, student college'u Tadashi, ratuje Hiro przed niebezpiecznym gangiem i zabiera go do swojego laboratorium na uniwersytecie, aby przekonać go, by zapomniał o walkach. Tadashi pokazuje swojemu robotowi-pielęgniarce Baymaxowi, że rozwija się do Hiro i przedstawia swojego młodszego brata swoim przyjaciołom Go Go Tomago, Wasabi, Honey Lemon i Fredowi. Kiedy Hiro poznaje swojego idola, profesora Roberta Callaghana, postanawia wstąpić na uniwersytet. Hiro musi wymyślić coś, co przyciągnie uwagę Callaghana, i na uniwersyteckie targi naukowe przywozi malutkie roboty zwane mikrobotami, które przydają się w wielu zastosowaniach. Przedsiębiorca Alastair Krei chce kupić mikroboty, ale Hiro woli zostać z Callaghanem na uniwersytecie. Kiedy Hiro i Tadashi opuszczają jarmark, wybucha pożar i Tadashi wraca na miejsce, by uratować Callaghan. Jednak budynek wybucha, a Tadashi umiera. Później Hiro aktywuje Baymaxa, a robot podąża w kierunku wskazanym przez ostatniego mikrobota trzymanego z Hiro. Chłopak goni Baymaxa i trafiają do opuszczonego budynku. Hiro odkrywa, że ​​ktoś produkuje mikroboty i zostaje zaatakowany przez zamaskowanego mężczyznę, który kontroluje mikroboty. Udaje im się uciec, a Hiro postanawia włączyć zbroję i kolejny chip do Baymaxa, aby uczynić go mistrzem w walkach. Śledzą zamaskowanego mężczyznę do portu, ale Go Go Tomago, Wasabi, Honey Lemon i Fred przybywają wezwani przez Baymax. Zamaskowany mężczyzna atakuje grupę i łączą siły, tworząc Big Hero 6, używając zbroi i swoich umiejętności, aby schwytać zamaskowanego mężczyznę, który ich zdaniem to Alastair Krei. Ale mają ogromną niespodziankę.