Действие происходит в вымышленном метрополисе Сан-Франсокио — месте, где смешались американская и японская культуры. 14-летний вундеркинд, Хиро Хамада, большой любитель боёв ботов — подпольных игр на деньги, цель которых — при помощи своего боевого робота победить робота соперника. Хиро побеждает, но попадает в полицию вместе со своим братом Тадаши, прибывшим на помощь. Когда их освобождает тётя Кэс, Хиро хочет опять поехать на бои ботов, но Тадаши отвозит его в ВУЗ. Хиро встречает новых друзей — Хани Лемон, ГоГо, Васаби и Фреда. Хани Лемон одержима химией, ГоГо работает над велосипедом с электромагнитной подвеской, Васаби — над лазерными лучами, а Фред — не студент, а символ института и «бешеный фанат науки». Тадаши изобрёл медицинского робота Бэймакса. Директор ВУЗа-профессор Калаган говорит Хиро, что если он хочет поступить, нужно удивить его своим изобретением на конкурсе, проходящем раз в году.