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Nella mente di Riley, una ragazzina di undici anni del Minnesota, vivono cinque emozioni: Gioia (che garantisce la felicità alla ragazza), Disgusto (che si occupa che Riley non venga avvelenata fisicamente e socialmente), Paura (che tiene Riley lontano dai pericoli), Rabbia (che impedisce che Riley subisca ingiustizie) e Tristezza (il cui scopo non è però ben chiaro a nessuna emozione). Le cinque emozioni dirigono la mente di Riley all'interno di un quartier generale, agendo su una console piena di pulsanti. Ogni volta che un'emozione agisce, nasce un ricordo dall'aspetto di una piccola sfera del colore dell'emozione che lo ha prodotto. La maggior parte dei ricordi viene spedita poi nella memoria a lungo termine, mentre quelli più importanti (detti ricordi base) rimangono nel quartier generale, dove agiscono sulla mente della bambina definendone la personalità. I cinque ricordi base di Riley sono tutti felici (dorati) e alimentano cinque isole della personalità: la Famiglia, l'Onestà, la Stupidera (ossia la propensione per le buffonate), l'Hockey e l'Amicizia. Un giorno la famiglia di Riley è costretta a trasferirsi dal Minnesota a San Francisco a causa del lavoro del padre e Riley non può fare a meno di essere delusa nel vedere la nuova casa, anche se Gioia tenta comunque di mantenere alto l'umore della ragazza. In ciò è ostacolata da Tristezza, che inizia a sentire l'impulso di toccare e rendere tristi (blu) i ricordi risalenti al Minnesota ogni volta che questi vengono proiettati nella mente della ragazza, inducendo Gioia a cercare di tenere Tristezza lontana dalla console.

Il primo giorno di scuola Riley viene invitata a presentarsi alla classe e quando l'insegnante le chiede del Minnesota, Gioia le fa ricordare i momenti in cui giocava a hockey o quando pattinava sul lago ghiacciato. Tristezza tocca il ricordo gioioso della ragazza e lo modifica, inducendo la ragazzina a piangere di fronte alla classe, in preda alla nostalgia per i tempi felici trascorsi nel Minnesota. Ciò porta alla nascita di un nuovo ricordo base, il primo ricordo base triste. Gioia, inorridita, cerca di impedire che il nuovo ricordo prenda posizione insieme agli altri mentre Tristezza cerca di fermarla, ma finiscono entrambe catapultate fuori dal quartier generale insieme a tutti i ricordi base. Senza più ricordi base nella postazione, le isole delle personalità si spengono, diventando grigie e inerti. Riley rimane vittima di Rabbia, Disgusto e Paura che inutilmente cercano di mantenere felice la bambina provando a impersonare Gioia, rendendo invece Riley irritabile e indisponente, mentre una a una le isole della personalità iniziano a crollare nel baratro della memoria.

Nel frattempo Gioia e Tristezza sono catapultate nella memoria a lungo termine, un archivio labirintico e infinito di scaffali colmi di ricordi, cercando una strada per il ritorno. Fra gli scaffali incontrano Bing Bong, l'amico immaginario di Riley quando era bambina, con cui tentano di raggiungere il treno dei pensieri per arrivare al quartier generale. Tuttavia, una volta saliti sul treno, Riley va a dormire: sapendo che il loro mezzo di trasporto non si muoverà fino a che Riley non si sarà svegliata, i tre decidono di fare un salto alla Cineproduzione Sogni (dove i sogni vengono ripresi e trasmessi come in uno studio cinematografico), dove cercano di svegliare Riley con un incubo. Riescono nell'impresa liberando il gigantesco clown Jangles, ovvero una delle più grandi paure di Riley, dalla prigione del subconscio. Una volta svegliata la ragazza, Gioia cerca di raggiungere il quartier generale da sola, impedendo a Tristezza di seguirla; tuttavia, in seguito al crollo dell'isola dell'Onestà, si ritrova nel baratro della memoria insieme a Bing Bong.

In preda allo sconforto, Gioia inizia a osservare nostalgicamente i vecchi ricordi di Riley fino a trovarne uno che lei aveva sempre ritenuto felice, ma che in realtà inizia come triste, per poi diventare gioioso solo nel momento in cui la famiglia e gli amici iniziano a confortare la ragazza. Gioia comprende così l'importanza di Tristezza: segnalare il bisogno di Riley di ricevere aiuto dalle persone che le vogliono bene. A bordo del carretto a razzo di Bing Bong, dopo diversi tentativi a vuoto, Gioia riesce a fuggire dal baratro della memoria quando Bing Bong capisce di essere troppo pesante e decide di rimanere nel baratro, venendo definitivamente dimenticato dalla ragazza, ormai cresciuta e non più bambina.

Intanto, nel Quartier Generale, Rabbia, in un tentativo di mettere fine all'infelicità di Riley, insinua nella sua mente l'Idea (rappresentata da una lampadina) di fuggire di casa in direzione del Minnesota. Ciò porta al crollo dell'ultima Isola della Personalità, la Famiglia, e la consolle si spegne, rendendo Riley del tutto priva di emotività. Disperati, Rabbia, Disgusto e Paura cercano inutilmente di rimuovere l'Idea dalla consolle, ma sarà il ritorno di Gioia e Tristezza a salvarli. Gioia, finalmente, lascia a Tristezza i comandi, e questa riesce a rimuovere l'Idea dalla mente di Riley, che scende dall'autobus e torna a casa. Una volta di fronte ai genitori, Tristezza rende blu tutti i Ricordi Base di Riley e induce la ragazza a piangere di fronte ai genitori, esprimendo tutte le ansie e le preoccupazioni che l'hAnno afflitta dall'arrivo a San Francisco. I genitori così confortano Riley e Gioia può finalmente agire, permettendo la nascita di un nuovo Ricordo Base, in parte dorato e in parte blu, che permette di ricostruire l'Isola della Famiglia.

Un Anno più tardi, Riley si è adattata alla nuova casa, e tutte le emozioni lavorano assieme per aiutarla a condurre una vita contenuta, ma emotivamente complessa, con un pannello di controllo esteso e nuove Isole della Personalità prodotte da nuovi Ricordi Base composti da emozioni miste, più mature.