Câu chuyện diễn ra tại một thành phố hư cấu có tên là San Fransokyo (tên viết tắt của 2 thành phố San Francisco của Mỹ và Tokyo của Nhật Bản). Đó là nơi ở của cậu bé thần đồng Hiro Hamada cùng với một người bạn hết sức đặc biệt là Baymax. Baymax trông giống như một người tuyết màu trắng, đây là phát minh của Tadashi – anh trai Hiro. Baymax được tạo ra nhằm mục đích phục vụ cho sức khỏe của con người. Với sự thông minh của Hiro, cậu nhóc đã chế tạo ra các công cụ chiến đấu cho biệt đội siêu anh hùng với sự đồng hành của 5 thành viên còn lại là Baymax, Wasabi, Go Go, Fred và Honey Lemon. Họ cùng điều tra về kẻ giấu mặt “kabuki” đã đánh cắp phát minh “bọ siêu nhỏ” của Hiro và ngăn chặn 1 thảm họa đối với thành phố.

Chuyện phim xảy ra trong một thành phố hư cấu được gọi là San Fransokyo (một từ ghép giữa San Francisco và Tokyo), một thần đồng chế tạo trẻ tuổi tên là Hiro Hamada, tuy là thiên tài nhưng cậu ta luôn bỏ phí thời gian vào nhưng trận đấu robot trái phép. Sợ Hiro bỏ phí tài năng của mình, anh trai của Hiro, Tadashi đưa Hiro đến phòng thí nghiệm công nghệ tại Viện Công nghệ San Fransokyo, nơi Hiro gặp bạn bè của Tadashi: GoGo, Wasabi, Honey Lemon, và Fred, cùng robot chăm sóc sức khỏe Baymax do Tadashi chế tạo. Để được nhập học trong trường, Hiro đã sáng chế và giới thiệu Bọ siêu nhỏ: một đám robot có kích thước nhỏ có thể liên kết với nhau trong bất kỳ bằng bộ điều khiển thần kinh từ xa. Giáo sư Callaghan, là trưởng khoa robot, đã chấp nhận cho Hiro học tại trường. Bất ngờ có một đám cháy bốc ​​lên tại hội trường, Tadashi xông vào cứu Callaghan, nhưng Tadashi không may qua đời, và Hiro tự thu mình. Một ngày nọ, vô tình kích hoạt Baymax, Hiro tìm thấy một con bọ siêu nhỏ trong túi áo và Baymax tìm nơi bọ siêu nhỏ muốn đến, đó là một nhà kho bỏ hoang. Ở đó, cả hai phát hiện rằng một người nào đó đã sản xuất hàng loạt bọ siêu nhỏ do Hiro chế tạo, và họ bị tấn công bởi một người đàn ông đeo mặt nạ Kabuki. Để bắt kẻ đeo mặt nạ, Hiro trang bị cho Baymax với áo giáp và một con chip có chứa các thế võ Karate khác nhau. Sau khi người đàn ông đeo mặt nạ tấn công, Hiro, Baymax, GoGo, Wasabi, Honey Lemon, và Fred, sáu người thành một biệt đội siêu anh hùng lên đường truy tìm danh tính thực sự của kẻ đeo mặt nạ. Khi Baymax tìm thấy một hòn đảo, cả nhóm đến đó và nó được cho biết hòn đảo đó đã cách li. Khi khám phá ra, họ thấy biểu tượng hình chim én và xem một video thì thấy 1 thí nghiệm. Thí nghiệm đã lý giải vì sao hòn đảo bị cách li. Khi tên đeo mặt nạ đó xuất hiện. Họ đã phát hiện đó chính là giáo sư Callaghan. Hiro bắt Baymax giết Callaghan bằng cách rút chíp dữ liệu y tế, để lại chíp dữ liệu chiến đấu. Điều đó khiến Baymax trở thành một chú rô bốt hung hăng, tàn bạo với mục tiêu là tiêu diệt Callaghan. Nhưng cả nhóm đã ngăn không cho sự việc diễn ra. Hiro tức giận và bỏ đi, rồi cậu cũng nhận ra sai lầm của mình.

Cả biệt đội đã phát hiện ra người phi công chính là con gái của Callaghan, Abigail, và vì lý do đó mà Callaghan trả thù Krei cho cái chết của con gái mình do sự chủ quan của Krei gây ra. Cuối cùng cậu tập hợp cả nhóm và lên đường ngăn chặn âm mưu của Callaghan. Sáng hôm sau, khi mà lễ khai mạc Krei Tech đang diễn ra. Callaghan đến và cho biết ông trở lại để trả thù, hắn cho lũ bọ siêu nhỏ của mình lắp một cái cổng không gian (teleport) lấy từ hòn đảo để hút cả toà nhà và Krei vào đó. Sau một hồi vật lộn cuối cùng thì nhóm Hiro đã hạ gục Callaghan và lũ bọ siêu nhỏ. Nhưng bất ngờ cảm biến của Baymax phát hiện ra con gái của Callaghan vẫn còn ở trong cổng không gian. Hiro và Baymax vào trong cái cổng sắp bị nổ tung để cứu con gái Callaghan, nhưng bất ngờ phản lực trong bộ giáp của Baymax bị hỏng. Baymax quyết định hy sinh để cứu Hiro và Abigail. Cuối cùng Callaghan bị cảnh sát bắt, còn Abigail được đưa đi cấp cứu.Vài tuần sau, Hiro đã nhập học tại trường, ở tại chính căn phòng mà anh trai cậu từng sống và bất ngờ cậu ta phát hiện ra con chip màu xanh – vốn là linh hồn của Baymax, vẫn còn trong cánh tay của bộ giáp còn sót lại sau khi cứu Abigail. Hiro đã chế tạo một Baymax mới với tấm thẻ xanh cũ, Baymax phát hiện ra rồi ôm Hiro. Phim kết thúc với cảnh cả biệt đội đang bay lượn quanh San Fransokyo.