เรื่องราวติดตามชีวิตของ ฮิโร แฮมาดะ (เสียงโดย ริฟฟี่ สตีเฟนส์), เด็กอัจฉริยะที่มีความสามารถในการสร้างสรรค์เทคโนโลยีและหุ่นยนต์ แต่เขาใช้ความสามารถนี้เพื่อแข่งขันในเกมการพนันอย่างผิดกฎหมาย
เมื่อพี่ชายของเขา ทาโดชิ (เสียงโดย แดน แฟนลิ่ง) ถูกฆ่าตายจากเหตุการณ์ที่ไม่คาดคิด ฮิโรต้องเผชิญหน้ากับความสูญเสียและค้นหาความจริงเกี่ยวกับเหตุการณ์นั้น เขาได้พบกับ เบย์แม็กซ์ (เสียงโดย สก็อตต์ แอดซิท) หุ่นยนต์ดูแลสุขภาพที่ถูกสร้างขึ้นโดยพี่ชายของเขา
ฮิโรและเบย์แม็กซ์ร่วมมือกันสร้างทีม “บิ๊กฮีโร่ 6” ที่ประกอบไปด้วยเพื่อน ๆ ของฮิโร รวมถึง เฟรด (เสียงโดย ที.เจ. มิลเลอร์), โกโก้ (เสียงโดย จาเนล มอนอเอ) และ Wasabi (เสียงโดย แดมอน เวย์นส์ จูเนียร์) เพื่อหยุดยั้งศัตรูที่ใช้อุปกรณ์ที่น่ากลัวในการทำลายล้างเมือง
