ฮีโร่ ฮามาดะ เป็นอัจฉริยะด้านหุ่นยนต์อายุ 14 ปีที่อาศัยในเมืองซานฟรานโซเกียว และมักใช้เวลาไปกับการนำหุ่นยนต์ที่ตนประดิษฐ์ไปพนันแข่งขันด้วยการต่อสู้กับหุ่นยนต์ของคนอื่น ทาดาชิผู้เป็นพี่ชายกลัวว่าฮีโร่จะนำความสามารถที่มีไปใช้อย่างไร้ประโยชน์ จึงได้พาฮีโร่ไปที่สถาบันเทคโนโลยีที่ตนเรียนอยู่ ที่นั่นฮีโร่ได้พบกับเพื่อนของทาดาชิคือ โกโก้, วาซาบิ, ฮันนี่เลมอน, และเฟรด ทั้งยังได้พบกับเบย์แม็กซ์ หุ่นยนต์นักดูแลสุขภาพที่ทาดาชิประดิษฐ์ขึ้นมา ฮีโร่สนใจจะเข้าเรียนที่สถาบัน จึงได้ทำโครงงานประดิษฐ์ฝูงหุ่นยนต์ขนาดจิ๋วเรียกว่าไมโครบอทที่สั่งงานได้โดยใช้เพียงจินตนาการในสมอง และได้นำออกแสดงในนิทรรศการประจำปีเพื่อให้ได้ผ่านการประเมินสู่การได้เข้าเรียนในสถาบัน ศาสตราจารย์คัลลาแฮนประทับใจในผลงานของฮีโร่จึงรับฮีโร่เข้าเรียนที่สถาบัน แต่หลังจากที่ฮีโร่แสดงผลงานไมโครบอทได้ไม่นาน ก็เกิดเพลิงไหม้ขึ้นที่อาคารจัดแสดงนิทรรศการ ทาดาชิวิ่งเข้าไปในอาคารเพื่อช่วยศาสตราจารย์คัลลาแฮนที่ยังติดอยู่ในอาคาร แต่ก็ได้เกิดระเบิดขึ้น ฮีโร่จึงได้สูญเสียพี่ชายไปในเหตุการณ์นั้น และหลังจากนั้นมาก็เก็บตัวอยู่แต่ในบ้าน

วันหนึ่ง ฮีโร่ได้บังเอิญทำให้เบย์แม็กซ์ที่ถูกเก็บไว้ที่บ้านทำงานขึ้นมา พร้อมกันนั้นก็ได้พบว่าไมโครบอทชิ้นหนึ่งที่ฮีโร่เก็บไว้ไม่ได้สูญเสียไปในเหตุการณ์เพลิงไหม้ที่สถาบันได้มีปฏิกิริยาเหมือนจะเข้าหาไมโครบอทตัวอื่น เบย์แม็กซ์ได้ใช้ไมโครบอทชิ้นนั้นตามหาสถานที่ที่ไมโครบอทนั้นจะไปจนมาถึงโกดังร้างแห่งหนึ่ง ฮีโร่ที่ตามเบย์แม็กซ์มาได้พบว่าไมโครบอทที่น่าจะถูกเผาไปแล้วในกองเพลิง กลับถูกใครบางคนลักเอาไป ทั้งยังมีการผลิตเพิ่มจำนวนไปอีก แล้วทั้งคู่ก็ถูกโจมตีโดยชายผู้สวมหน้ากากคาบูกิที่สามารถควบคุมไมโครบอทได้ ฮีโร่พาเบย์แม็กซ์หนีออกมาได้ และตัดสินใจที่จะจับชายคนนี้ให้ได้ จึงได้อัพเกรดเบย์แม็กซ์ให้มีความสามารถในการต่อสู้ ทั้งยังได้รวมกลุ่มกับโกโก้, วาซาบิ, ฮันนี่เลมอน, และเฟรด ตั้งเป็นทีมซูเปอร์ฮีโร่ขึ้นมา