Tarina kertoo nuoren tytön pään sisällä elävästä viidestä perustunteesta: Ilo, Suru, Kiukku, Pelko ja Inho. Muutto vanhasta kotikaupungista San Franciscoon käynnistää tunnemylläkän, jonka johdosta Ilo ja Suru tempautuvat pois ohjaamosta tunteiden varastotilaan. Pitkä paluumatka kohti tunnekeskusta alkaa, mutta aika käy vähiin, kun ohjaamo alkaa menettää otetta tytön tunnetiloista.

Evelyn on elämäänsä pettynyt pesulan omistaja. Evelynin elämä on tylsää ja harmaata, eikä hänen miehensä Waymond juuri helpotusta arkeen tuo. Pariskunnan tytär Joy tuo tyttöystävänsä Beckyn esiteltäväksi vaarilleen Gong Gongille, mutta eihän siinä hyvin käy, koska äiti ei osaa käsitellä tyttärensä teini-ikää laisinkaan. Evelyn onnistuu jollain tapaa mokaamaan kaiken mitä nyt sattuukin yrittämään. Yllättäen Waymond muuttuu aivan toiseksi ihmiseksi. Hän väittää olevansa eri multiversumeista todellisuuden pelastajaa etsivä Alpha Waymond. Evelynillä onkin tässä sulattelemista, sillä hänen koko elämänsä mullistava tapahtumaketju käynnistyy juuri kun perhe on menossa verokarhun pakeille. Verotoimistossa Evelyn joutuu keskelle mielipuolista seikkailua, jonka aikana hän saa tietää olevansa ainoa henkilö, joka voi pelastaa koko maailmankaikkeuden tulevaisuuden. Hänen on löydettävä keino, miten ohjata uudet voimansa taistellakseen multiversumin omituisia ja perin hämmentäviä vaaroja vastaan.

Baymax on rakastettava henkilökohtainen hoitajarobotti, joka muodostaa erityisen suhteen robotiikan ihmelapsi Hiro Hamadan kanssa. Kun tuhoisa käänne syöksee heidät keskelle vaarallista juonta, joka levittäytyy San Fransokyon kaduille, Hiro kääntyy Baymaxin ja tämän moninaisten ystävien puoleen, ja näistä muodostuu odottamattomien sankareiden joukko. Ajoittaiset vilkkuvat valot tai kuviot voivat vaikuttaa valoherkkiin katsojiin.