현실에선 말랑 푹신 치료 로봇인 내가 이세계에선 전투로봇?!
히로와 테디는 천재 공학자입니다. 히로는 13살의 나이로 고등학교를 졸업했을 정도로 천재입니다. 불법으로 로봇전투를 하러 다니는 히로를 테디는 말리지만 히로는 말을 듣지 않습니다. 히로에게 로봇전투장에 데려다 준다는 거짓말을 한 테디는 히로를 자신이 다니고 있는 대학교에 데려가고 처음 대학 생활을 마주한 히로는 대학에 관심을 보이기 시작합니다. 대학교에서 테디가 만들고 있는 베이맥스를 처음 마주하게 됩니다. 베이맥스는 다친 환자를 치료해주는 로봇입니다. 그곳에서 칼라한 박사를 만나고 대학교에 입학하기 위해 히로는 자신만의 로봇인 마이크로봇을 만들어 입학 시험장에 제출합니다. 마이크로봇은 뇌파를 이용해 작은 봇들이 뭉쳐 무엇이든 움직일 수 있고 어디든 자유롭게 갈 수 있었습니다. 그러나 그날 밤 발표회장에 불이 나고 아직 칼라한 교수가 빠져나오지 못했단 소식을 들은 테디는 망설임 없이 발표회장으로 들어가고 다시는 나오지 못하게 됩니다. 그렇게 히로는 형을 잃은 슬픔에 방구석에 박혀 살다가 베이백스를 발견하고 침대 밑 자신의 점퍼에서 자신이 만든 마이크로봇의 조각도 찾게 됩니다. 마이크로봇은 어디로 가려는 듯 움찔거리고 있었고 베이맥스는 이런 마이크로봇을 조사하기 위해 사라집니다. 그렇게 한 폐공장으로 도착한 히로와 베이맥스는 그곳에서 자신이 만든 마이크로봇이 대량으로 생산되는 것을 발견하고 그 마이크로봇을 자유자재로 다루는 가면을 쓴 정체불명의 남자도 만나게 됩니다. 가면의 공격에서 살아남은 히로는 누군가 자신의 마이크로봇을 훔치기 위해 발표회장에 불을 지른 거라 생각하고 형의 복수를 위해 베이맥스를 업그레이드시킵니다.그렇게 항구에서 가면의 남자와 재 전투를 하지만 갑자기 나타난 형 테디의 동료들에 의해 저지당하고 가면의 남자에게 쫓깁니다. 가면과의 재 전투를 위해 프레드의 집에서 베이맥스뿐만 아니라 동료와 히로 자기 자신까지 업그레이드 장비를 장착하기로 합니다. 그렇게 허니레몬에게는 폭탄이 자동 제조되는 만능 가방을 주고, 프레드는 괴수 모양 슈트를 제작, 고고는 고속질투가 가능한 슈트 제작, 와사비는 플라즈마 커터를 탑재한 건틀렛을 제작합니다. 그렇게 베이맥스2.0 으로 업그레이드된 베이맥스는 가면 남자가 은신한 곳을 발견하고 팀원들과 함께 외딴섬으로 갑니다. 그곳은 크레이의 실험실이었으며 시간이동이라는 실험을 하다 아비게일이라는 조종사를 잃게 된 곳이었습니다. 그리고 나타난 가면과의 전투가 시작됩니다. 다들 자신에 맞는 알맞은 장비로 환상적인 팀플레이를 보여줍니다. 그렇게 밝혀진 가면의 정체는 바로 칼라한 박사였습니다. 그리고 그는 사라진 아비게일 조종사의 아버지였죠. 자신의 딸을 되찾기 위해 마이크로봇을 훔친 거였습니다.형을 잃은 분노로 잠시 이성을 잃은 히로였지만 동료들과 베이맥스의 배려로 다시 정신을 차리고 칼라한 박사와의 전쟁을 준비합니다. 다음날 크레이의 행사장에 나타난 칼라한 박사는 크레이의 회사를 시간이동 포탈을 이용해 흡수하려고 합니다. 팀원들과 칼라한 박사와의 전투에서 승리한 베이맥스는 시간여행 포털 속에서 한 여자의 생체반응을 느낍니다. 그건 바로 칼라한 박사의 딸 아비게일이었고, 히로와 베이맥스는 아비게일을 구하러 갑니다. 그러나 베이맥스의 추진 장치 고장으로 아비게일과 히로만 베이맥스의 로켓펀치로 겨우 돌아올 수 있었습니다. 그렇게 다시는 베이맥스를 못 볼 줄 알았지만 베이맥스의 로켓펀치 주먹 속 베이맥스의 치로용 칩을 발견하게 됩니다. 이를 기반으로 베이맥스를 다시 만드는 것으로 영화는 끝이 납니다.
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베이맥스의 하얗고 푸근한 풍선 외관 때문인지 모르겠지만 참으로 따듯한 영화다. 가족을 잃어 폐인처럼 살아가는 히로에게 베이맥스는 형이 되어주고 가족이 되어줬다. 또 형의 동료였던 사람들은 히로를 버리지 않고 히로를 위해 언제든지 달려와주는 깊은 우정도 보여줬다. 천재였기 때문에 형만이 히로를 이해해 줬던 세상에서 형이 없어진 히로의 세상은 회색빛이었을 것이다. 칼라한 박사는 잃어버린 자신의 딸을 되찾았지만 이미 죽은 형 테디는 다시 돌아올 수 없었다. 하지만 그런 히로에겐 새로운 가족 베이맥스가 있고 베이맥스는 영화 제목 그 자체로 히로에게 영원한 빅히어로가 되어줄 것이다.