Au Quartier Général, le centre de contrôle situé dans la tête de la petite Riley, 11 ans, cinq Émotions sont au travail. À leur tête, Joie, débordante d'optimisme et de bonne humeur, veille à ce que Riley soit heureuse. Peur se charge de la sécurité, Colère s'assure que la justice règne, et Dégoût empêche Riley de se faire empoisonner la vie - au sens propre comme au figuré. Quant à Tristesse, elle n'est pas très sûre de son rôle. Les autres non plus, d'ailleurs. Lorsque la famille de Riley emménage dans une grande ville, avec tout ce que cela peut avoir d'effrayant, les Émotions ont fort à faire pour guider la jeune fille durant cette difficile transition. Mais quand Joie et Tristesse se perdent accidentellement dans les recoins les plus éloignés de l'esprit de Riley, emportant avec elles certains souvenirs essentiels, Peur, Colère et Dégoût sont bien obligés de prendre le relais. Joie et Tristesse vont devoir s'aventurer dans des endroits très inhabituels comme la Mémoire à long terme, le Pays de l'Imagination, la Pensée Abstraite, ou la Production des Rêves, pour tenter de retrouver le chemin du Quartier Général afin que Riley puisse passer ce cap et avancer dans la vie.

Fraîchement diplômée, Riley est désormais une adolescente, ce qui n'est pas sans déclencher un chamboulement majeur au sein du quartier général qui doit faire face à quelque chose d'inattendu : l'arrivée de nouvelles émotions ! Joie, Tristesse, Colère, Peur et Dégoût - qui ont longtemps fonctionné avec succès - ne savent pas trop comment réagir lorsqu'Anxiété débarque. Et il semble qu'elle ne soit pas la seule...