滨田宏特别喜欢研究机器人科技并自认为技术十分了得，小小年纪便从学校退学，经常不顾家人的反对，偷偷跑到不合法的竞技场参与机器人比赛炫技。一次，他操纵着自制的小机器人，打败了竞技场里人称“小阎王”的常胜将军，赢了对方一大笔钱。正当他沾沾自喜时，没想到对方不服输，抢了他的机器人，还叫了几个小喽啰要教训小宏一顿。幸得这时，小宏的哥哥阿正及时赶到，开车将他带离。可别开心得太早，刚甩了小流氓，又遇上来查赌博的警察蜀黍，啊哦，连累了哥哥，两人一起被带回了警局。尽管如此，小宏还是不知悔改，无视阿姨的碎碎念及哥哥苦口婆心的劝说，还是执意要继续参赛。阿正怕弟弟误入歧途，借口要送他去参赛的途中，带他去参观了自己就读的科技大学。
　　在哥哥的实验室里，认识了几个机灵古怪的好友，阿正给弟弟介绍了自己的发明——私人医护机器人BayMax（大白）。说是机器人，可是BayMax一点儿也不酷炫，没有坚硬的钢甲，通体白色，身材圆乎乎胖墩墩的，长手小短腿儿，像一团棉花糖。大白会对服务对象进行全面扫描，感知到你生理及心理上的伤痛并对之进行治疗，直到你对它说“我很满意你的照顾”才会结束服务。
　　虽然看起来很可爱，但体型臃肿行动迟缓的它并没有引起小宏的兴趣，不过小宏对实验室里各种新奇的玩意儿倒是挺喜欢的。在这里，小宏还遇到了哥哥的导师，本想显摆一下，却被告知站在面前的竟是自己崇拜已久的机器人学教授罗伯特·卡拉翰。“凭借你的机器人，你应该能轻松获得比赛胜利吧？不过如果你喜欢轻松，那我们的项目并不适合你。在这里，我们不断探索机器人的极限，我的学生们将会创造未来。”实验室里的见闻，以及卡拉翰教授的一番话，让小宏下定决心一定要来“极客大学”上学，阿正当然高兴。
　　在哥哥的鼓励和帮助下，小宏努力研制出一款微型机器人，数不清的微型机器人聚集在一起，小宏可以通过头戴式传感器，用自己的思维来控制机器人们完成任一指令。这一发明在“极客大学”的学生入学资格作品展上得到参展人员一致认可，富商克雷更是想买下小宏的发明专利，却被卡拉翰教授阻止而忿忿离去。卡拉翰教授对小宏的作品表示赞赏，当即录取了小宏。兄弟二人还沉浸在微型机器人展示成功的喜悦中，学校却突发大火，阿正为了援救卡拉翰教授奋不顾身冲进展厅，不幸丧身火场。
　　哥哥的去世对小宏是个沉痛的打击，伤心不已的小宏不吃不喝，把自己封闭起来。有天他不小心伤到脚趾，痛呼声唤醒了医护机器人大白，启动了医护程序，坚持要为小宏进行治疗处理……
　　小宏给BayMax进行升级改造，并集结了哥哥生前的四个好友，根据各人的特点逐一开发出对应的装甲。六人组成“超能陆战队”，旨在找到纵火真凶——蒙面的神秘人。激战中，大白完胜神秘人，神秘人面具终被揭下，但让大家想不到的是这个对手竟是备受尊崇的教授卡拉翰。小宏想到哥哥是为他而死，不禁怒火中烧，下令大白杀了卡拉翰。因见小宏被仇恨迷失，大白给他播放了阿正生前影像，为了研制能治愈帮助更多人的医护型机器人，阿正曾努力不懈……
　　哥哥的爱与大白的温暖唤回小宏的善良，超能陆战队再次集结，六人查清真相，击破克雷的阴谋，阻止了卡拉翰教授的复仇计划。大白感应到异次元空间里还有人类生命体征，小宏带着它义无反顾地冲进去救人，最终把教授的女儿阿尔盖比救回，大白却因装甲受损，沉入了异次元空间……
　　经历了这么多事情，小宏成长了许多，关怀友爱身边的人，积极向学，认真面对生活，力图帮助更多的人。某天收拾旧物，意外重得BayMax的编程芯片，重塑了一个机器人躯体后，“你好，我是BayMax，你的私人护理顾问。你好啊，小宏。”小宏奔过去，给大白一个大大的拥抱……
　　本片由迪斯尼和漫威公司联合出品，上映后票房一路高歌，并荣获第87届奥斯卡“最佳动画长片”奖。影片制作精良，内容诙谐轻快而又充满正能量，节奏淋漓畅快，笑果十足，BayMax暖萌，让人看了不禁想抱一抱它。