Хиро Хамада – гений роботехники, в 13 лет окончивший школу по программе ускоренного обучения. Он считает работу старшего брата в Техническом университете Сан-Франсокио скучной и неинтересной. Но так продолжалось до тех пор, пока Тадаши не привел его в свою лабораторию. Увидев, над какими интересными проектами работают там друзья брата и сколько простора и возможностей дает учеба здесь, Хиро решает участвовать в выставке, по результатам которой создатель лучшего изобретения сможет стать студентом этого университета.

Юный гений создает микроботов, которые силой мысли могут собираться в любую конструкцию. За этот проект он получает долгожданное место в университете. В тот же день Тадаши погибает, и Хиро впадает в депрессию. Он не хочет никого видеть и решает забросить учебу. Случайно обнаружив Беймакса – робота, созданного его братом для оказания медицинской помощи, Хиро находит в его лице неуклюжего, медлительного, но старательного и заботливого помощника, который выводит мальчика на похитителя его давно заброшенного изобретения – микроботов. Хиро решает узнать, кто украл его разработку и не связан ли этот человек с гибелью его брата.