最愛の兄の死の謎を追う、孤独な天才少年 ヒロ。天才的な科学の才能を持つ14歳の少年。両親は3歳の時に他界。天才ゆえの孤独を少年らしい心に隠した彼にとって、唯一の味方であり理解者は兄のタダシ。しかし、タダシが謎の爆発事故で命を落とし、心を閉ざす。その心を癒したのはタダシの形見のケア・ロボット、ベイマックス。ベイマックスと共にタダシの死の真相に迫ろうとする。

人を傷つけることを禁じられた、優しすぎるケア・ロボット ベイマックス。何があってもヒロを守り抜こうとする、タダシが作ったケア・ロボット。空気の詰まった柔らかボディでヨチヨチ歩き。瞳で心とカラダの健康状態をスキャンし、手はこすり合わせるとＡＥＤに。１万通りの治療法がプログラミングされていて、傷ついた人のSOSをキャッチ。戦闘意欲も戦闘能力もゼロ。

ヒロたちの母親がわりの、愛すべき叔母 キャス。ヒロとタダシの両親亡き後、母親がわりとなり、育ち盛りの男の子2人を世話することと格闘してきた叔母。2人の甥を深く愛し、少しせっかちだけどいつも明るい愛すべき女性。度々問題を起こすヒロにパニックになることも。タダシ亡き後は、ヒロを元気づけようと明るさ倍増で接する。カフェを営む。

ベイマックスに、ヒロへの愛を込めた兄 タダシ。ヒロの兄でサンフランソウキョウ工科大学の大学生。幼い頃から亡き両親に代わり、最愛の弟のヒロを守り導いてきた唯一の理解者。ヒロの科学の才能を認め、発揮できるよう助力と応援を惜しまない。だが、謎の爆発事故で命を落とす。自らが愛情込めて作り上げたケア・ロボット、ベイマックスに“ある使命”を託した。

ヒロを心配する、タダシの大学の仲間。ハッピーでいつも前向き。化学のエキスパート

ヒロを心配する、タダシの大学の仲間。好きが高じて怪獣の着ぐるみが手放せない。

ヒロを心配する、タダシの大学の仲間。タフで運動神経抜群。専門は電磁サスペンション

ヒロを心配する、タダシの大学の仲間。緊急時でも几帳面。レーザー誘起プラズマを研究。