Молодой изобретатель Хиро Хамада увлекается созданием роботов и с легкостью побеждает в уличных боях роботов. Его старший брат Тадаши приглашает его в университет, где Хиро видит страстных изобретателей и решает, что это место, где ему нужно учиться. Под руководством профессора Калагана он разрабатывает мини-роботов, управляемых с помощью нейронных модулей. Глава крупной корпорации Алистер Крэй пытается приобрести это изобретение, но Хиро не готов продать свои мини-роботы. Однако пожар в университете уносит жизни профессора Калагана и Тадаши, который пытался спасти своего преподавателя. Хиро тяжело переживает смерть брата, но медицинский робот Беймакс берет на себя заботу о мальчике. Вскоре выясняется, что мини-роботы не сгорели во время пожара, а были похищены неизвестным человеком в маске, известным как Кабуки. Хиро и Беймакс решают разгадать эту тайну и вступают в схватку с загадочным злодеем, подвергая себя серьезной опасности.