Avec l'aide leurs amis, Hiro, un génie de 14 ans fasciné par les nouvelles technologies, et son inséparable compagnon Baymax, un robot doté de fortes capacités de compassion, se lancent dans des aventures high-tech afin de protéger leur ville contre une nouvelle génération de vilains "améliorés". Hiro doit dans le même temps apprendre à gérer son quotidien parfois difficile, surtout depuis qu'il est devenu le nouveau prodige de l'institut Technologique de San Fransokyo. La série fait office de suite au film Les Nouveaux Héros.