Alors que Margot, 16 ans, a disparu, l’enquête ouverte ne donne rien et malgré les heures décisives qui s’écoulent, l’inspectrice chargée de l’affaire n’a pas le moindre indice. Le père, David, décide alors de mener ses propres recherches, en commençant par là où personne n’a encore regardé : l’ordinateur de sa fille.

Un petit génie de la robotique nommé Hiro Hamada découvre qu’un complot criminel menace de détruire la ville de San Fransokyo. Avec l’aide de son plus proche ami, Baymax le robot infirmier, et de ses compagnons qu’il va transformer en une bande de superhéros high-tech, Hiro va tout faire pour sauver la ville et sa population de l’infâme Yokai…