Terinspirasi dari komik Marvel berjudul sama. Big Hero 6 akan mengisahkan Hiro Hamada (disuarakan oleh Ryan Potter) remaja jenius di bidang robotika yang mencoba memecahkan misteri kejahatan. Bersama teman-temannya dan robot ciptaannya bernama Baymaxx, Hiro menjadikan mereka sebagai Big Hero 6 dan bertekad membongkar kejahatan di San Fransokyo dan menyelamatkan seluruh dunia.

Hirotaro Inaba (Ren Osugi) selama ini hanya menghabiskan hidupnya dengan bekerja hingga ia bahkan tidak memiliki hubungan dekat dengan anaknya sendiri. Namun diusianya yang kini telah mencapai 60 tahun, ia kecanduan bermain games online. Anaknya, Mitsuo (Yudai Chiba), seorang karyawan kantoran, mencoba memperbaiki hubungan dan mendekati sang ayah sebagai pemain game di dunia permainan yang sama tanpa mengungkapkan indentitas aslinya. Lepas dari rahasia yang dimiliki oleh mereka masing-masing, ayah dan anak ini mulai saling mengerti satu sama lain dan menjadi lebih dekat lewat game online tersebut.