O filme mostra história de Riley uma garota que era comandada pelas emoções: medo, nojo ou também aversão, raiva e tristeza. Na mente de Riley é a sede onde vivem e trabalham as emoções influenciando a vida de Riley.
A alegria é a emoção dominante entre as outras. Riley completa seus 11 anos de idade e se muda para São Francisco devido ao novo emprego de seu pai. Alegria começa a ficar preocupada por tristeza começar a mexer nas memórias felizes de Riley e enquanto briga com a tristeza na tentativa apagar a memória triste, ela bate em outras memórias.
Isso faz com que a garotinha se torne uma criança instável e antes que alegria pudesse arrumar tudo, ela, tristeza e as memórias da central são sugadas para fora da sede pelo tubo do labirinto de memórias de longo prazo. Nojo, medo e raiva tentam estabilizar o emocional de Riley.
Mas acabam fazendo com que ela se distancie dos seus pais, amigos e não faça mais as coisas que mais gosta. O sentimento raiva coloca na mente de Riley, o desejo de fugir para Minnesota, pensando que isso vai ativar memórias felizes na mente da garota.
Na caminhada para conseguir entrar na sede novamente, tristeza e alegria acabam encontrando Bing Bong, um amigo imaginário de Riley que está tentando se conectar com ela. Ele orienta alegria e tristeza a pegarem o trem do pensamento para chegar a sede.
Eles exploram várias áreas da mente de Riley e quando embarcam novamente no trem, ele descarrila quando uma ilha da personalidade de Riley cai.
A garota se prepara para embarcar e um ônibus, rumo à Minnesota enquanto isso, alegria tenta usar um recorda-tubo para chegar à sede mas outra ilha cai e quebra o tubo o que faz Big Bong e Alegria caírem no lixo de memórias.
Alegria descobre uma memória triste que acaba ficando feliz quando seus amigos e pais vem confortar Riley por perder um jogo de hóquei. Na sequência, a alegria usa diversas ferramentas da Terra da Imaginação para tentar impulsionar ela e tristeza até a sede.
E no caminho encontram a idéia do sentimento raiva que desativa o painel de controle, o que deixou Riley apática e deprimida. Alegria insiste que tristeza tome conta do controle.
Tristeza consegue remover com sucesso a idéia da raiva, reativa o painel e Riley volta para casa. Durante isso, tristeza faz a reinstalação das memórias base e a garota chega em casa e chorando, desabafa com seus pais, dizendo que tem saudades da antiga vida.
Seus pais a tranquilizam e confortam, nisso, tristeza e alegria em união trabalham para criar uma memória base que misture as duas emoções e nasça uma nova ilha de personalidade.
Após 1 ano, Riley se adaptou a sua nova casa e suas emoções trabalham em conjunto para ajudar a garota a viver bem com novas ilhas de personalidade que são formadas conforme novas situações aparecem para serem emocionalmente superadas.