De film volgt de emoties van het meisje Riley. Alle mensen worden geleid door hun emoties: Plezier, Angst, Woede, Afkeer en Verdriet. De gepersonifieerde emoties wonen in het hoofdkantoor, het controlecentrum in de geest, waar ze haar adviseren in het alledaagse leven. Ook beheersen ze de herinneringen en sturen ze naar de langetermijngeheugen. Soms vormt zich op een belangrijk moment een kernherinnering die een 'persoonlijkheidseiland' vormt: een 'eiland' in het langetermijngeheugen dat onderdeel is van de persoonlijkheid. Omdat Plezier zeer dominant is, is Riley een vrolijk kind. Verdriet wordt hierdoor het ondergeschoven kindje en niemand ziet haar staan. Ook mag ze nergens aan komen want dan 'besmet' ze de herinneringen met verdriet.
Riley heeft moeite zich aan te passen aan haar nieuwe leven nadat ze verhuisden van Minnesota naar San Francisco omdat haar vader een nieuwe baan gevonden heeft. Terwijl Riley en haar emoties worstelen met de nieuwe situatie, ontstaat er paniek in het hoofdkantoor wanneer Verdriet en Plezier verdwalen in Rileys geest, samen met de kernherinneringen. Hierdoor worden ook de persoonlijkheidseilanden instabiel. Riley wordt hierdoor en door het ontbreken van Plezier en Verdriet een emotieloos maar depressief kind. De overblijvende emoties raken in conflict over hoe de beste manier is te handelen met de nieuwe stad, huis en school. Uiteindelijk implanteert Woede het idee om weg te lopen naar Minnesota om daar nieuwe gelukkige kernherinneringen te vinden.
Plezier en Verdriet zoeken hun weg in Rileys geest, hierbij geholpen door haar vroegere fantasievriend Bing Bong. Ze bezoeken onder andere Rileys verbeelding, de droomstudio, en haar onderbewustzijn. Verdriet ontdekt op hun tocht langzaamaan de zonnige kant van het leven. Plezier leert op haar beurt echter dat Verdriet ook een sleutelrol in Rileys geest heeft en dus niet buitengesloten dient te worden. Terwijl Riley steeds verder afglijdt in een depressie, worden langzaam haar persoonlijkheidseilanden vernietigd. Op een gegeven moment belanden Plezier en Bing Bong in de dumpplaats waar oude herinneringen die niet langer nodig zijn worden weggegooid. Bing Bong offert zich om Plezier te helpen ontsnappen.
Uiteindelijk keren ze terug naar het hoofdkantoor, waar de overige emoties alle controle hebben verloren. Slechts Verdriet kan het wegloopidee verwijderen, waardoor Riley naar huis terugkeert en aan haar ouders vertelt dat ze Minnesota mist. Plezier en Verdriet creëren hierdoor samen een nieuwe gemengde kernherinnering en een nieuw persoonlijkheidseiland. Een jaar later is Riley helemaal gewend, zijn er veel nieuwe persoonlijkheidseilanden en hebben de emoties een groter controlepaneel nodig omdat Rileys emoties complexer worden.
