Bối cảnh phim tại một thành có tên là San Fransokyo nơi đó cậu bé thần đồng Hiro Hamada, một thiên tài chế tạo robot trẻ tuổi đang sống cùng anh mình và chú robot do anh cậu chế tạo mang tên Bay Max. Chú robot này có thân hình đồ sộ như một hình nộm cao su được bơm căng nhưng Bay Max là một chú robot có tư duy và suy nghĩ phát triển như con người, ban đầu chúng bị thành phố ngăn cấm vì được xem là mối đe dọa tiềm ẩn cho con người. Một ngày nọ anh cậu bị mất trong một tai nạn và tiếp theo đó cậu bị một tên tội phạm bí ẩn tấn công bằng những con bọ máy do chính cậu tạo ra trong lễ tốt nghiệp bị đánh cắp, nhưng khi trình báo thì cảnh sát không tin cậu. Hiro quyết định tự mình cùng Bay Max tiến hành điều tra, 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.