主角小女孩萊莉 (Riley)出生於美國明尼蘇達州，在她的腦海裡，情緒有五種表現形式：快樂、憂愁、厭惡、恐懼和憤怒，這都是源自生活。那裡情緒都住在萊莉的大腦總部，它們在那裡透過一個控制台影響萊莉的動作和記憶。她的新記憶都會儲存在彩色水晶球裡，在每個清醒周期後就會送往儲存。最重要的核心記憶都儲存在總部樞紐和五個個性島嶼，每個島能夠反映萊莉性格的不同方面。樂樂 (Joy)作為情緒的主導，讓萊莉保持在一個愉快的狀態，但她和其他情緒都不明白憂憂 (Sadness)的用處。

在萊莉11歲的時候，萊莉的爸爸找到一份新的工作，萊莉一家便搬到舊金山居住，然而，他們的新居是沒有生命力的，還有他們的個人物品仍然在貨車運送途中，不知怎的在德克薩斯州迷路了。樂樂關注於憂憂開始接觸美好的回憶時，那些回憶都會變成傷心的，所以她試圖把憂憂孤立起來。然而，在萊莉到新學校上學的第一天，憂憂意外地製造了一個悲傷的記憶，讓萊莉在全班同學的面前哭了出來。樂樂試圖把新的核心記憶到達總部樞紐前就把它除去，但她意外地敲起其他的核心的回憶介入在她跟憂憂的掙扎中，關閉了能源島，使它們不穩定。在樂樂找回它們之前，憂憂，她和核心記憶都被記憶管道吸出總部之外，迷失在茫茫腦海中，去到萊莉的長期記憶的迷宮存儲區，並設法返回大腦總部。總部只剩下怒怒 (Anger)、厭厭 (Disgust)、驚驚 (Fear)三位情緒來掌管。

怒怒、厭厭和驚驚嘗試在樂樂不在的情況下維持萊莉的情緒狀態，但不經意間把萊莉從她的父母、朋友和嗜好中保持距離，變成憤世嫉俗少女。她的性格島嶼慢慢的逐漸碎裂和跌進記憶垃圾場，那是褪色的記憶設置和被遺忘的深淵。怒怒在控制台加入一個跑到明尼蘇達州的想法，相信它們能產生新的快樂核心記憶。與此同時，樂樂及憂憂找到小彬彬 (Bing Bong)，萊莉兒時的想像出來的朋友，他不顧一切的想與她重新連繫。小彬彬告訴他們可以乘坐思路列車返回大腦總部。在探索萊利心靈的不同區域後，三人最終趕上了思路列車，但當其他個性島嶼倒下時列車便出軌了。

至於萊莉，她準備登上一輛開到明尼蘇達州的巴士，樂樂嘗試用「召回管」回到總部，但最後一個個性島嶼下降，把召回管打破了，把樂樂和小彬彬送到記憶垃圾場。雖然絕望地翻看舊記憶，但樂樂發現到，當萊莉在曲棍球比賽中落敗了，她的父母和朋友前去安慰她，悲傷的記憶轉變為快樂，這使樂樂明白到憂憂的真正意義 - 提醒別人萊莉需要幫助。

樂樂和小彬彬嘗試利用小彬彬丟棄的手推車發射火箭離開記憶垃圾場，但幾次的嘗試失敗後，小彬彬意識到他們一起負荷太重，他跳出去讓樂樂逃離。樂樂利用想像之地的各種工具把自己和憂憂推送到大腦總部，在那裡他們發現怒怒已禁用了控制台，使萊莉沮喪並精神萎靡。在樂樂的強烈要求下，憂憂獲得控制權，並成功地消除了怒怒的想法，重新激活控制台並敦促萊莉回家。

憂憂重新為大腦安裝核心記憶，萊莉回到家並痛哭著向父母承認自己懷念昔日的生活，她的父母安慰和安撫她，樂樂和憂憂共同創造一個新的混合核心記憶來建立一個新的個性島嶼。一年後，萊莉經已適應她的新生活，所有情緒現在一起透過擴充了的控制台，並透過包括多種情緒的新核心記憶，去幫助萊莉重拾原本快樂開朗的性格，並在她的年齡帶領一個更豐富情感的生活。