未来世界の超都市サンフランソウキョウで、発明や創作を愛する天才少年ヒロは、弟のテディに勧められ、ロバート・キャラハン教授主催の工科大学ロボット工学専攻の入学コンペに参加する。彼は魔法のような小型磁気ロボットで観客、出場者、試験官から満場一致の賞賛を獲得しましたが、突然の災害がシャオホンの夢と人生を破壊しました。この火災で展示会場は焼失し、閉じ込められたキャラハン教授を救おうとして兄も火災に巻き込まれて死亡した。身体的にも精神的にも大きな傷を負ったヒロにとって、兄が残した治療用ロボットのベイマックスが唯一の慰めとなる。当初彼らはマイクロロボットも火災で焼失したと考えていたが、ヒロとベイマックスは偶然、何者かが廃工場で彼の発明品を量産していることを発見した。その後、兄の友人フレッドらも加わり、シャオホンが発明したスーパーソルジャー戦闘装備を身に着け、邪悪な陰謀を企む謎の敵と戦いを繰り広げる…。