ในเมืองลูกครึ่งล้ำสมัยอย่าง “ซานฟรานโซเกียว” ฮิโระ ฮามาดะ เด็กหนุ่มอัจฉริยะด้านหุ่นยนต์ต้องสูญเสียพี่ชายไปในเหตุการณ์เพลิงไหม้ปริศนา เขาพบปลอบโยนจาก “เบย์แมกซ์” หุ่นยนต์ดูแลสุขภาพพองลมที่พี่ชายสร้างไว้ เมื่อฮิโระค้นพบว่าการตายของพี่ชายมีเงื่อนงำ เขาจึงอัปเกรดเบย์แมกซ์และรวบรวมแก๊งเพื่อนเนิร์ดมาเป็นทีมซูเปอร์ฮีโร่ไฮเทค เพื่อหยุดยั้งวายร้ายหน้ากากคาบูกิที่ขโมยสิ่งประดิษฐ์ของเขาไป