Được phóng tác từ bộ truyện tranh Big Hero 6 của Marvel, bộ phim sẽ lấy bối cảnh một thành phố giả tưởng và cực kì hiện đại mang tên San Fransokyo (ghép giữa San Francisco và Tokyo) với những nét đặc trưng của cả hai thành phố. Đó là nơi mà cậu bé Hiro Hamada, một thiên tài chế tạo robot trẻ tuổi , đang sinh sống. Người bạn thân nhất của Hiro chính là chú robot do chính tay cậu chế tạo mang tên Bay Max, có thân hình đồ sộ như một hình nộm cao su được bơm căng. Do tình cờ, cậu bị một kẻ xấu bí ẩn tấn công bằng những con bọ máy kì lạ, nhưng khi trình báo thì cảnh sát không tin cậu. Hiro quyết định tự mình cùng Bay Max tiến hành điều tra, với sự giúp đỡ của anh trai cùng những người bạn mang siêu năng lực khác, để rồi khám phá ra một âm mưu hủy diệt cả thành phố. Lúc này, chính quyền đành phải cầu viện nhóm siêu anh hùng nhí ra tay cứu vãn tình thế…