O filme começa com Riley Andersen (Kensington Tallman), agora com 13 anos, se preparando para uma partida de hóquei. Enquanto seus pais (Diane Lane e Kyle MacLachlan) a animam, as emoções de Riley – Alegria (Amy Poehler), Tristeza (Phyllis Smith), Raiva (Lewis Black), Nojo (Liza Lapira) e Medo (Tony Hale) – guiam suas ações durante o jogo. Durante a partida, Riley derruba um oponente e é colocada na área de penalidade.
Durante esse tempo, Joy atualiza os espectadores sobre o que está acontecendo com Riley desde a última vez. Ela tentou diversificar outros hobbies e fez duas novas melhores amigas, Grace (Grace Lu) e Bree (Sumayyah Nuriddin-Green), que também fazem parte de seu time de hóquei. Outras ilhas também se formaram na cabeça de Riley para acompanhar seus novos interesses. As emoções também reuniram as memórias de Riley para criar um senso de identidade para ela, onde ela se vê como uma boa pessoa e amiga. Quando Riley volta ao jogo, ela marca o gol da vitória, fazendo com que seus pais, amigos e emoções a animem. A treinadora Roberts (Yvette Nicole Brown) aborda Riley, Grace e Bree para convidá-las para um acampamento de hóquei para mostrar suas habilidades e para que Riley possa fazer parte do time da escola, os Fire Hawks.
Antes de Riley ir para a cama, seus pais expressam entusiasmo por ela ter sido convidada para o acampamento de hóquei, mas ela fica muito dura consigo mesma e pensa que a penalidade que recebeu quase lhes custou o jogo. Joy pega essa memória e usa um tubo de recordação para enviar todas as memórias desagradáveis de Riley para o fundo de sua mente. À medida que as emoções se instalam durante a noite, Joy traz a tristeza para o sistema de crenças onde o senso de identidade de Riley é organizado.
À noite, as emoções são despertadas pelo alarme de “puberdade” do console. Uma equipe de construção de Mind Workers entra e começa a fazer alterações na sede antes de configurar um novo console. Riley então acorda e é saudada por sua mãe para prepará-la para ir ao acampamento de hóquei. Quando Raiva, Tristeza e Nojo tocam o console, Riley parece reagir exageradamente à mãe, deixando-os confusos.
Os pais de Riley levam ela, Grace e Bree para um acampamento de hóquei. No caminho, Riley descobre que Grace e Bree estão sendo treinadas em uma escola diferente, o que significa que elas não estarão todas no mesmo time em seus novos anos escolares. Joy ajuda a manter Riley unida até as meninas chegarem ao acampamento, e Sadness deixa Riley chorar um pouco por não estar com suas amigas no ano seguinte. Riley sai disso quando vê Valentina “Val” Ortiz (Lillimar Hernandez), a capitã dos Fire Hawks que ela idolatra. Quando Riley tenta falar com Val, novas emoções começam a aparecer em sua cabeça.
As emoções originais encontram pela primeira vez Ansiedade (Maya Hawke), que nervosamente tenta causar uma boa primeira impressão e faz Riley se apresentar desajeitadamente a Val. Isso é seguido por Envy (Ayo Edebiri), que quase toca a mecha vermelha no cabelo de Val antes que Nojo a afaste. O constrangimento (Paul Walter Hauser) surge ao reagir com vergonha disso, e ele também é tímido demais para conversar com as outras emoções. Outra emoção, Ennui (Adele Exarchopoulos), aparece no sofá e opera o console por meio de um aplicativo em seu celular. A última emoção a aparecer é Nostalgia (June Squibb), mas Ansiedade diz que ela não será necessária muito mais tarde na vida de Riley.
Apesar de querer ficar com os amigos, Riley se junta a Val para causar uma boa impressão nela e em seus companheiros. Elas vão para o vestiário, mas Joy assume o console de Ansiedade quando Grace e Bree aparecem. Riley brinca com eles, levando o treinador Roberts a castigá-la e fazer todas as garotas desistirem de seus telefones. Quando Riley faz um comentário sobre o treinador Roberts, acaba fazendo com que ela obrigue o time a fazer linhas de skate, o que leva as outras garotas a ficarem bravas com Riley, deixando-a mais envergonhada.
Enquanto pratica, Riley ouve as colegas de equipe de Val dizendo como Riley está causando uma má primeira impressão. Constrangimento e Tristeza fazem Riley chorar, mas Ansiedade intervém para que Riley possa falar com Val e se desculpar por ter brincado e colocado as outras garotas em apuros. Val é legal com ela e continua a convidar Riley para sair com o time.
O treinador Roberts divide as meninas em equipes. Quando Riley tem que escolher entre se juntar a Grace e Bree, ou ir com os Fire Hawks. Joy tenta dizer a Anxiety que o Sense of Self de Riley a levaria a se juntar a suas amigas, mas Anxiety puxa o Sense of Self para fora e o envia pelo tubo de recall, pois ela sente que Riley precisa passar por grandes mudanças para garantir seu futuro. Quando Joy protesta, Anxiety faz Embarrassem colocar as emoções originais em uma jarra e mandá-las embora para impedi-las de interferir. Anxiety usa uma de suas memórias recentes para levar ao Belief System para formar um novo Sense of Self corrompido para Riley, levando-a a se juntar a Val em vez de Grace e Bree.
As emoções originais são enviadas para o The Vault e colocadas ao lado de outros personagens fictícios com os quais Riley está familiarizado, como um personagem de desenho animado infantil chamado Bloofy (Ron Funches) com sua bolsa mágica, Poucy (James Austin Johnson), além de um personagem de videogame estilo "Final Fantasy" chamado Lance Slashblade (Yong Yea) por quem Riley (e mais tarde Disgust) tem uma queda. As emoções são quebradas por Deep Dark Secret (Steve Purcell) e explodem a porta usando dinamite de Pouchy. Quando os seguranças vão atrás deles, Lance usa seu movimento especial, que é apenas ele rolando, mas funciona bem o suficiente para fazer os guardas se trancarem desajeitadamente em outro cofre.
Os cinco começam a correr de volta para a Sede, mas Joy está determinada a recuperar o Senso de Si de Riley antes de voltar. Eles acabam presos em um beco sem saída no Hall of Memories antes de ver que Riley está começando a acordar. As novas emoções a fazem acordar cedo para praticar bastante para que ela possa fazer parte dos Fire Hawks. Isso acaba permitindo que Riley se relacione mais com Val, embora Grace e Bree percebam que Riley está se afastando delas.
No caminho de volta ao QG, as emoções enviam Tristeza através de um tubo de recall para que ela possa entrar furtivamente e impedir os planos de Ansiedade. Enquanto isso, Riley acaba tendo que fingir ou não gostar de certas coisas perto de Val e seus amigos para permanecer em suas boas graças. Enquanto saíam, as meninas mostram a Riley o escritório do treinador com seu diário que determina se Riley poderia ou não entrar no time, dependendo da opinião do treinador Roberts. Enquanto as emoções tentam levar o Fluxo de Consciência de volta ao QG, a influência de Ennui com as garotas legais cria um “Sar-Chasm”, que faz com que qualquer coisa gritada ecoe sarcasticamente, e as emoções não podem obter ajuda dos Trabalhadores da Mente porque eles acham que as emoções são idiotas. Isso também se estende ao mundo real quando Bree e Grace ouvem Riley fingindo zombar de sua boy band favorita. Antes das meninas irem para a cama, Val conta a Riley sobre um jogo amistoso no dia seguinte que está implícito para determinar seu futuro no time. A ansiedade reúne mais memórias para criar o novo Sentido de Si Mesmo.
Alegria, Raiva, Nojo e Medo chegaram a outro beco sem saída, levando a uma discussão e Joy explodindo com seus amigos porque ela tem dificuldade em liderá-los e também se preocupa que Ansiedade esteja certa sobre Riley não precisar mais de sua influência. A raiva a tira do medo e a ajuda a se levantar. Eles usam um tubo dos Trabalhadores da Mente para se atirarem alto o suficiente para verem o caminho de volta ao antigo Sentido do Eu.
A tristeza retorna ao QG depois que a ansiedade e a inveja relembram um monte de memórias inúteis. O constrangimento percebe a tristeza, mas a ajuda a se esconder. Enquanto isso, os outros quatro encontram a Terra da Imaginação e descobrem uma sala onde os Trabalhadores da Mente são feitos pela ansiedade para criar cenários negativos hipotéticos para forçar Riley a se sair bem o suficiente para entrar nos Fire Hawks. Alegria leva seus amigos a criar cenários positivos antes que a ansiedade os perceba. Alegria consegue reunir os Trabalhadores da Mente para se rebelarem contra a ansiedade. Os quatro escapam voando em um carro alegórico de Riley.
Ansiedade acaba fazendo Riley acordar e entrar furtivamente no escritório do treinador Roberts para olhar seu diário. Tristeza passa furtivamente e rouba o telefone de Ennui para usar seu aplicativo de console e impedi-la de olhar, mas Ansiedade o pega de volta e faz Riley abri-lo, e diz "ainda não está pronto" sob seu nome. Riley fica chateada, então as novas emoções tentam invocar algumas ideias para intensificar seu jogo. Os outros quatro são pegos em uma tempestade de ideias enquanto continuam a flutuar, e Alegria os faz tentar quebrá-los enquanto voam em sua direção. Uma grande ideia vem voando em sua direção, que eles veem como sua única saída da tempestade, mas ela desliza pelo tubo e os deixa para trás. Riley acaba não dormindo e tenta praticar ainda mais antes do treino. Ela também tinge uma mecha vermelha em seu cabelo como o resto dos Fire Hawks. O novo Senso de Si de Ansiedade agora está completo, mas faz Riley acreditar que ela não é boa o suficiente.
Os quatro finalmente chegam ao fundo da mente e encontram o antigo Senso de Si. O Embarrassment tenta ajudar a Tristeza a se esgueirar para usar o tubo de recall para trazer seus amigos de volta, mas a Ansiedade os pega e quebra o tubo, destruindo-o completamente e deixando os outros sem nenhuma maneira de voltar. A Alegria é tomada pelo desespero e chega à conclusão de que crescer significa que você sente menos alegria, mas isso não significa que eles deixarão Riley ficar assim.
A luta começa com os Fire Hawks jogando contra o time de Grace e Bree. Riley se esforça e tenta provar que é a melhor, mas ignora o resto de sua equipe enquanto tenta bater o recorde de Val de marcar dois gols quando era caloura. Por sugestão de Anger, eles invocam Pouchy e pegam dele uma tonelada de dinamite para causar uma avalanche de lembranças ruins que eles levarão de volta ao QG. O plano funciona, mas quando eles chegam lá, Riley entrou na área depois que sua tentativa de marcar seu terceiro gol fez com que ela batesse em Grace e a fizesse cair. Riley se sente extremamente culpada e começa a sofrer um ataque de ansiedade devido à emoção que a pressiona demais, enquanto a Ansiedade tenta desesperadamente consertar tudo.
As novas e velhas emoções se unem para tentar afastar o ansioso Sentido de Si Mesmo, enquanto Joy se empurra em direção ao console. A ansiedade é pega em um tornado que ela mesma criou, incapaz de parar o que fez e tristemente renunciando ao seu fracasso. Joy convence Ansiedade a largar o console. A alegria substitui o sentido de identidade corrompido pelo antigo, mas eventualmente é substituído novamente por um novo sentido de identidade que é combinado com todas as lembranças boas e ruins. As emoções, agora unidas pela Ansiedade, todas se unem para abraçar o novo Sentido de Si Mesmo, finalmente permitindo que Riley se acalme. Bree e Grace abordam Riley na área, e ela pede desculpas a elas por seu comportamento. Os dois a perdoam e ainda a veem como uma melhor amiga. Eles prosseguem para terminar a luta.
Meses depois, Riley começa a escola com os Fire Hawks e espera com eles para ver se ela entrou na lista do treinador. Ela continua a falar com Bree e Grace, que também estão esperando para ouvir os resultados. Na cabeça de Riley, as emoções agora trabalham todas juntas para equilibrar os sentimentos de Riley e as emoções em constante mudança para formar sua personalidade complexa, aceitando seus erros e jogando com seus pontos fortes. O telefone de Riley então vibra, e quando ela vê os resultados, ela olha para cima com um grande sorriso.
Durante os créditos, a Ansiedade é que as cabeças dos pais de Riley são vistas depois que ela está indiferente sobre sua experiência no acampamento de hóquei. Após os créditos, Joy volta ao Vault para encontrar Deep Dark Secret para perguntar qual é o grande segredo de Riley. Ele diz que é que ela queimou o tapete da família, mas Joy diz que pensou que era quando Riley fez xixi na piscina. Secret então volta para dentro do vault.