У футуристичному місті Сан-Франсокіо 14-річний Хіро Хамада - технічний геній, якому нудно від свого потенціалу. За підтримки свого старшого брата Тадаші Хіро демонструє свій винахід мікроботів на змаганнях роботів, що проводяться в Технологічному інституті Сан-Франсокіо. Однак трапляється трагедія - спалахує пожежа, яка забирає життя Тадаші. Вбитий горем і втратою, Хіро знайомиться з медичним роботом Тадаші, Беймаксом, який вирішує зцілити Хіро від болю.
Прибираючи лабораторію Тадаші, Хіро випадково активує своїх мікроботів, чим привертає увагу лиходійського підприємця Крея. Разом із друзями Тадаші, Го Го, Васабі, Медовим Лимоном і Фредом, Хіро та Беймакс розкривають зловісні наміри Крея. Вирішивши зупинити його і помститися за брата, Хіро облаштовує Беймакса в бойову броню, перетворюючи його на грізного союзника.
Коли Хіро та його друзі, тепер відомі як "Супер шістка", протистоять Крею, вони виявляють ще більшу загрозу у вигляді лиходія в масці, який контролює мікроботів Хіро. Лиходій представляється професором Каллагеном, який, як вважається, загинув у тій самій пожежі, що забрала життя Тадаші. Спонукуваний жагою помсти, Хіро шукає справедливості, балансуючи між своїм горем і відповідальністю новоявленого супергероя.
Супер шістка змагається з часом, щоб зупинити Каллагена, який планує випустити мікроботів на місто. У напруженій битві Беймакс самовіддано жертвує собою, щоб врятувати Хіро і знищити мікроботів, залишаючи Хіро з розбитим серцем. Однак Хіро зрештою розуміє, що сутність Беймакса збереглася в його медичному чіпі.
Возз'єднавшись з Беймаксом, Хіро та його друзі викривають справжні наміри Каллагена і притягають його до відповідальності. Після цього вони відбудовують місто і стають командою супергероїв, захищаючи Сан-Франсокіо від небезпеки. Під час їхньої подорожі Хіро вчиться справлятися з втратами, берегти спогади та розуміти справжнє значення героїзму, і все це за незмінної підтримки друзів та улюбленого Беймакса.