技術分野最先端の頭脳が集まる都市サンフランソーキョーに住む14歳の少年ヒロは、たった一人の身内である兄タダシを謎の事故で失う。心を閉ざし悲しみに暮れるヒロの前に、突如ベイマックスというロボットが現れる。空気で大きくふくらみゆったりと動くベイマックスは、タダシが開発した、人の身や心の健康を守るケア・ロボットだった。ベイマックスの優しさに触れ、次第にヒロの孤独な心は癒され元気を取り戻していく。そんな中タダシの死に疑問を持ち調べていくうちに、恐るべき陰謀に気付く。ヒロはこれに立ち向かおうとするが、唯一の味方であるベイマックスはケア・ロボットであるため戦う意欲すらない。実はベイマックスは、タダシからある使命を託されていた……。