主角萊莉·安德森（Riley Andersen）出生於美國明尼蘇達州，在她腦中有五種情緒表現形式：快樂、憂愁、厭惡、恐懼和憤怒，這五種擬人化的情緒在萊莉的大腦總部中透過一個控制台影響萊莉的行為和記憶。新記憶被儲存在彩色水晶球內，其中最重要的五顆快樂核心記憶存放在總部樞紐，各維持著一座塑造萊莉性格的個性島嶼。
萊莉11歲時父親覓得新工作，舉家遷往加州的舊金山，然而新居環境與萊莉的期望差距甚遠，使她心情逐漸變差。在萊莉首天到新學校上學時，憂憂（Sadness）使她在自我介紹時在全班面前哭了出來，因而產生一顆憂傷的核心記憶；樂樂（Joy）試圖把它放到輸送管丟棄，卻在和憂憂的爭奪下撞掉了所有的核心記憶。輸送管把樂樂、憂憂與被撞掉的五顆核心記憶吸離大腦總部、送往迷宮般的長期記憶存放區，萊莉的五座個性島嶼也因而失去功能。
留在大腦總部的怒怒（Anger）、厭厭（Disgust）和驚驚（Fear）試圖在樂樂回來前維持萊莉快樂的情緒，卻使萊莉逐漸疏遠父母和朋友，以及放棄她最喜愛的運動——冰球。在不斷受挫後，怒怒植入了一則想法，使萊莉決定獨自離開舊金山，回到明尼蘇達州尋找快樂。
同時，樂樂及憂憂在長期記憶存放區中遇上萊莉兒時的幻想朋友小彬彬（Bing Bong），三人在探索萊莉腦中的不同區域後，帶著所有核心記憶趕上了返回大腦總部的思路列車，但列車因軌道附近的個性島嶼崩塌而出軌，他們繼而嘗試利用回憶管將自己吸回大腦總部，為免萊莉再次感到悲傷，樂樂決定丟下憂憂獨自回去。此時萊莉正偷走她母親的信用卡以購買前往明尼蘇達的長途客運車票，最後一座個性島嶼隨之崩塌，回憶管也因此破裂，使樂樂和小彬彬掉入一切記憶會被遺忘銷毀的記憶垃圾場。
小彬彬和樂樂嘗試利用萊莉兒時幻想的火箭逃離垃圾場，小彬彬發現火箭無法乘載二人重量，於是犧牲自己讓樂樂一人逃離。樂樂逃離記憶垃圾場後，在長期記憶存放區中尋回憂憂並成功回到大腦總部；此時怒怒植入的想法已經使控制台失去功能，樂樂決定將控制權交給憂憂，憂憂重新恢復了控制台並使萊莉回家。
在憂憂重新裝回核心記憶後，萊莉回到家哭著向父母承認自己懷念昔日在明尼蘇達州的生活，並獲得了他們的安慰和體諒，事件形成一顆快樂與憂傷混合的核心記憶，繼而建立了新的個性島嶼。一年後，萊莉已適應舊金山的新生活，大腦總部也已安裝更新的控制台。多種情緒混合的新核心記憶，創造出更完善的個性島嶼，也使得萊莉的情感生活更加豐富。
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