Dentro de la mente de una joven llamada Riley están las emociones básicas que controlan sus acciones: Alegría, Tristeza, Miedo, Asco e Ira. Sus experiencias se convierten en recuerdos, almacenados como orbes de colores, que se envían a la memoria a largo plazo cada noche. Los aspectos de los cinco "recuerdos centrales" más importantes de su personalidad adoptan la forma de cinco islas flotantes. La alegría actúa como líder, y ella y el resto de las emociones intentan limitar la influencia de la tristeza.

A los 11 años, Riley se traslada de Minnesota a San Francisco por el nuevo trabajo de su padre. Al principio tiene malas experiencias: la nueva casa es estrecha y vieja, su padre apenas tiene tiempo para ella, una pizzería local sólo sirve pizza con brócoli (que a Riley no le gusta), y el camión de la mudanza con sus pertenencias acaba en Texas y no llegará hasta dentro de unas semanas. En el primer día de Riley en su nueva escuela, Tristeza convierte retroactivamente los recuerdos alegres en tristes, lo que hace que Riley llore delante de su clase y crea un recuerdo central triste. Joy intenta deshacerse de él utilizando un tubo de vacío, pero accidentalmente hace que los otros recuerdos del núcleo se suelten durante una lucha con Tristeza, desactivando las islas de personalidad. Alegría, Tristeza y los recuerdos centrales son succionados fuera de la Sede.

En ausencia de Alegría y Tristeza, Ira, Miedo y Asco se ven obligados a tomar el control de Riley con resultados desastrosos, distanciando a Riley de sus padres, amigos y aficiones. Debido a esto, sus islas de personalidad se desmoronan gradualmente y caen en el "Vertedero de la Memoria", donde los recuerdos son olvidados. Finalmente, Anger decide volver a Minnesota, creyendo que así recuperará su felicidad.

Mientras navegan por la vasta zona de la memoria a largo plazo, Alegría y Tristeza se encuentran con Bing Bong, el amigo imaginario de la infancia de Riley, que les propone montar en el "tren del pensamiento" para volver a la Sede. Los tres, después de las extremas molestias causadas por la disolución de las islas, acaban cogiendo el tren, pero éste se detiene cuando Riley se queda dormida, y luego descarrila por completo con el colapso de otra isla. Temiendo que todos los recuerdos centrales se vuelvan tristes, Joy abandona a Tristeza e intenta montar en un "tubo de recuerdo" para volver a la Sede, pero el suelo bajo el tubo se derrumba, rompiéndolo y enviando a Joy y a Bing Bong a sumergirse en el Vertedero de Recuerdos. Después de descubrir un recuerdo triste que se convirtió en feliz en el consuelo de los padres de Riley para ella, Joy comprende el propósito de Sadness: alertar a los demás cuando Riley está emocionalmente abrumada y necesita ayuda. Joy y Bing Bong intentan utilizar el viejo cohete de la carreta de Bing Bong, que obtiene energía cuando el jinete canta, para escapar del Basurero de la Memoria, pero son incapaces de volar lo suficientemente alto debido a su peso combinado. En su último intento, Bing Bong salta para permitir que Joy escape mientras se desvanece.

Joy se reúne con Sadness y regresan a la Sede, pero llegan demasiado tarde ya que la idea de Anger ha desactivado la consola, dejando a Riley apática mientras sube a un autobús hacia Minnesota. Para sorpresa de los demás, Joy cede el control de la consola a Sadness, que es capaz de reactivarla y hacer que Riley regrese a su nuevo hogar. Mientras Tristeza reinstala los recuerdos del núcleo, transformándolos de felices a tristes, Riley confiesa entre lágrimas a sus padres que echa de menos su antigua vida y se derrumba. Sus padres la consuelan y admiten que también echan de menos Minnesota. La alegría y la tristeza trabajan juntas en la consola, creando un nuevo núcleo de memoria compuesto por felicidad y tristeza; se forma una nueva isla, que representa la aceptación de Riley de su nueva vida en San Francisco.

Un año después, Riley se ha adaptado a su nuevo hogar, ha hecho nuevos amigos y ha retomado sus antiguas aficiones, al tiempo que ha adquirido algunas nuevas. Dentro del Cuartel General, sus emociones admiran las nuevas islas de personalidad de Riley, y todas trabajan juntas en una consola recién ampliada con espacio para todas ellas.