모든 사람의 머릿속에 존재하는 감정 컨트롤 본부. 그곳에서 불철주야 열심히 일하는 기쁨, 슬픔, 버럭, 까칠, 소심 다섯 감정들. 정든 옛 동네를 떠나 도시로 이사하는 라일리 가족. 이사 후 새로운 환경에 적응해야 하는 라일리를 위해 그 어느 때 보다 바쁘게 감정의 신호를 보내지만 우연한 실수로 기쁨과 슬픔이 본부를 이탈하게 되자 라일리의 마음 속에 큰 변화가 찾아온다. 라일리가 예전의 모습을 되찾기 위해서는 기쁨과 슬픔이 본부로 돌아가야만 한다. 그러나 엄청난 기억들이 저장되어 있는 머릿속 세계에서 본부까지 가는 길은 험난하기만 한데...

샌프란시스코에 있는 톰 소여의 코미디 클럽이 화재로 인해 무너졌을 때, 반항적인 주인 톰 소여와 그의 개그맨들은 지역 스탠드업 코미디를 되살리기를 바라며 클럽을 재건한다. 톰 소여는 주변 사람들과 계속해서 열심히 코미디 클럽 재건에 힘쓰며 성공적으로 젊은 코미디언들의 우상이 되었다. 짐 캐리, 다나 카비, 폴라 파운드스톤, 밥 세이젯, 엘렌 드제너레스, 밥캣 골드스웨이트, 빌 마허, 케빈 폴락 등 이 작은 클럽에서 여러 유명인들이 탄생했다. 하지만 이후 재정난과 여러가지 어려운 상황을 맞이한 톰 소여는 더 이상 운영을 할 수 없는 상황으로 인해 클럽은 문을 닫게 되고 시간이 지난 후, 톰 소여와 그의 주변 인물들은 계속 해서 새로운 코미디 클럽 시작을 위해 다음 여정을 준비하게 된다.

13살이 된 라일리의 행복을 위해 매일 바쁘게 머릿속 감정 컨트롤 본부를 운영하는 ‘기쁨’, ‘슬픔’, ‘버럭’, ‘까칠’, ‘소심’. 그러던 어느 날, 낯선 감정인 ‘불안’, ‘당황’, ‘따분’, ‘부럽’이가 본부에 등장하고, 언제나 최악의 상황을 대비하며 제멋대로인 ‘불안’이와 기존 감정들은 계속 충돌한다. 결국 새로운 감정들에 의해 본부에서 쫓겨나게 된 기존 감정들은 다시 본부로 돌아가기 위해 위험천만한 모험을 시작하는데…