Il film si apre con Riley Andersen, ora tredicenne, che si prepara per una partita di hockey. La trama è ambientata due anni dopo il suo trasferimento a San Francisco. Mentre i genitori tifano per lei, le emozioni di Riley – Gioia, Tristezza, Rabbia, Disgusto e Paura – guidano le sue azioni durante la partita. Durante il match, Riley fa cadere un’avversaria e viene mandata nella panchina delle penalità. Joy aggiorna gli spettatori su ciò che è successo a Riley dall’ultima volta: ha cercato di dedicarsi a nuovi hobby e ha stretto amicizia con Grace e Bree, che fanno parte della sua squadra di hockey. Nella testa di Riley si sono formate nuove isole per rappresentare i suoi nuovi interessi. Le emozioni hanno anche raccolto i ricordi di Riley per creare un Senso di Sé in cui lei si considera una brava persona e amica. Quando Riley torna in campo, segna il gol della vittoria, portando i genitori, gli amici e le emozioni a fare il tifo per lei. L’allenatrice Roberts si avvicina a Riley, Grace e Bree per invitarle a partecipare a un campo di hockey e mostrare le loro abilità, in modo che Riley possa entrare nella squadra del liceo, i Fire Hawks.
Prima che Riley vada a letto, i suoi genitori esprimono entusiasmo per l’invito al campo di hockey, ma lei si critica troppo e pensa che la penalità presa quasi le è costata la partita. Joy prende questo ricordo e lo invia nel fondo della mente di Riley usando un tubo di richiamo. Mentre le emozioni si calmano per la notte, Joy porta Tristezza nel Sistema di Credenze, dove è organizzato il Senso di Sé di Riley. Di notte, le emozioni vengono svegliate dall’allarme “pubertà” sulla loro console. Un gruppo di operai della mente irrompe e inizia a fare modifiche al Quartier Generale prima di installare una nuova console. Riley si sveglia e viene accolta da sua madre che la prepara per andare al campo di hockey. Quando Rabbia, Tristezza e Disgusto toccano la console, Riley sembra reagire in modo eccessivo alla madre, lasciando le emozioni confuse.
I genitori di Riley portano lei, Grace e Bree al campo di hockey. Durante il viaggio, Riley scopre che Grace e Bree frequenteranno un’altra scuola superiore, il che significa che non saranno tutte nella stessa squadra nei nuovi anni scolastici. Gioia aiuta Riley a mantenere la calma fino all’arrivo al campo e Tristezza le permette di piangere un po’ per il fatto che non sarà con le sue amiche l’anno successivo. Riley si riprende quando vede Valentina “Val” Ortiz, il capitano dei Fire Hawks che idolatra. Quando Riley cerca di parlare con Val, nella sua testa iniziano a comparire nuove emozioni.
Le emozioni originali incontrano per prime Ansia, che cerca nervosamente di fare una buona prima impressione e fa sì che Riley si presenti goffamente a Val. Seguono Invidia, che quasi tocca la striscia rossa nei capelli di Val prima che Disgusto la allontani, Imbarazzo, che reagisce con vergogna e si mostra troppo timido per parlare con le altre emozioni, e Noia, che appare sul divano e usa la console tramite un’app sul suo telefono. L’ultima emozione ad apparire è Nostalgia, ma Ansia dice che non sarà necessaria nella vita di Riley per molto tempo.
Nonostante voglia restare con le sue amiche, Riley si unisce a Val per fare una buona impressione su di lei e sulle sue compagne di squadra. Vanno nello spogliatoio, ma Gioia prende il posto di Ansia alla console quando arrivano Grace e Bree. Riley scherza con loro, inducendo l’allenatrice Roberts a rimproverarla e a costringere tutte le ragazze a rinunciare ai loro telefoni. Quando Riley fa un commento sull’allenatrice Roberts, la squadra viene costretta a fare delle linee di pattinaggio, il che porta le altre ragazze ad arrabbiarsi con Riley, rendendola ancora più imbarazzata.
Durante un allenamento, Riley sente le compagne di squadra di Val dire che sta facendo una cattiva impressione. Imbarazzo e Tristezza fanno piangere Riley, ma Ansia interviene affinché Riley possa parlare con Val e scusarsi per aver messo nei guai le altre ragazze. Val è gentile con lei e continua a invitarla a unirsi alla squadra.
L’allenatrice Roberts divide le ragazze in squadre: Riley deve scegliere se unirsi a Grace e Bree o ai Fire Hawks. Gioia cerca di dire ad Ansia che il Senso di Sé di Riley la porterebbe a unirsi alle sue amiche, ma Ansia estrae il Senso di Sé e lo invia attraverso il tubo di richiamo, poiché ritiene che Riley debba affrontare grandi cambiamenti per assicurarsi il futuro. Quando Gioia protesta, Ansia fa in modo che Imbarazzo metta le emozioni originali in un barattolo e le mandi via per evitare che interferiscano. Ansia usa uno dei suoi recenti ricordi per entrare nel Sistema di Credenze e formare un nuovo Senso di Sé corrotto per Riley, che la porta a unirsi a Val invece che a Grace e Bree.
Le emozioni originali vengono inviate nella Volta e collocate accanto ad altri personaggi fittizi con cui Riley ha familiarità, come Bloofy, un personaggio dei cartoni animati per bambini con il suo marsupio magico, Poucy, e Lance Slashblade, un personaggio dei videogiochi simile a quelli di “Final Fantasy” per cui Riley (e successivamente Disgusto) ha una cotta. Le emozioni vengono fatte evadere da Deep Dark Secret e fanno saltare la porta usando la dinamite di Poucy. Quando le guardie di sicurezza li inseguono, Lance usa la sua mossa speciale, che consiste semplicemente nel rotolare, ma funziona abbastanza bene da indurre le guardie a chiudersi maldestramente in un altro caveau.
I cinque iniziano a correre verso il Quartier Generale, ma Gioia è decisa a recuperare il Senso di Sé di Riley prima di tornare indietro. Finiscono per bloccarsi in un vicolo cieco nella Sala dei Ricordi prima di vedere che Riley sta iniziando a svegliarsi. Le nuove emozioni la portano ad alzarsi presto per allenarsi duramente in modo da poter entrare nei Fire Hawks. Questo finisce per permettere a Riley di legare maggiormente con Val, anche se Grace e Bree notano che Riley si sta allontanando da loro.
Sulla via del ritorno al Quartier Generale, le emozioni inviano Tristezza attraverso un tubo di richiamo in modo che possa intrufolarsi e fermare i piani di Ansia. Nel frattempo, Riley si ritrova a dover fingere di gradire certe cose con Val e le sue amiche per rimanere nelle loro grazie. Mentre si frequentano, le ragazze mostrano a Riley l’ufficio dell’allenatrice con il suo diario che determina se Riley possa o meno entrare in squadra, a seconda delle opinioni dell’allenatrice Roberts. Mentre le emozioni tentano di tornare al Quartier Generale attraverso il Flusso di Coscienza, l’influenza di Ennui sulle ragazze più cool crea un “Sar-Chasm”, che fa risuonare in modo sarcastico tutto ciò che viene urlato, e le emozioni non possono essere aiutate dagli Operatori della Mente perché pensano che le emozioni siano degli idioti. Questo si estende anche al mondo reale, quando Bree e Grace sentono Riley fingere di prendere in giro il suo gruppo musicale preferito. Prima che le ragazze vadano a letto, Val racconta a Riley di una partita che si terrà il giorno dopo e che determinerà il suo futuro nella squadra. L’ansia raccoglie altri ricordi per creare il nuovo Senso di Sé.
Gioia, Rabbia, Disgusto e Paura si trovano in un altro vicolo cieco, che porta a una discussione e a Joy che si sfoga con le sue amiche perché ha difficoltà a guidarle e teme che Ansia abbia ragione quando dice che Riley non ha più bisogno della loro influenza. La rabbia la fa uscire dal suo stato di depressione e la aiuta a rimettersi in piedi. Usano un tubo dei Lavoratori della Mente per spararsi abbastanza in alto da poter vedere la loro strada verso il vecchio Senso di Sé.
Tristezza fa ritorno al Quartier Generale dopo che Ansia e Invidia hanno rievocato un mucchio di ricordi inutili. Imbarazzo si accorge di Tristezza, ma contribuisce a tenerla nascosta. Nel frattempo, gli altri quattro trovano la Terra dell’Immaginazione e scoprono una stanza in cui gli Operatori della Mente sono costretti da Ansia a inventare ipotetici scenari negativi per spingere Riley a fare bene.
Gioia guida i suoi amici a inventare scenari positivi prima che Ansia li scopra. Gioia riesce a radunare gli Operatori della Mente per ribellarsi ad Ansia. I quattro fuggono facendo volare un carro della parata di Riley.
L’ansia finisce per far svegliare Riley, e lei si intrufola nell’ufficio dell’allenatrice Roberts per guardare il suo diario. Tristezza si avvicina di soppiatto e ruba il telefono di Noia per usare la sua app console e impedirle di guardarlo, ma Ansia lo riprende e lo fa aprire a Riley, che sotto il suo nome dice “non ancora pronta”. Riley rimane sconvolta, così le nuove emozioni provano a evocare qualche idea per migliorare il suo gioco. Gli altri quattro vengono coinvolti in una tempesta di idee che continuano a fluttuare e Joy li costringe a cercare di romperle mentre volano verso di loro. Una grande idea arriva volando verso di loro, che vedono come unica via d’uscita dalla tempesta, ma scivola attraverso il tubo e li lascia indietro. Riley finisce per non dormire e cerca di allenarsi ancora di più prima della partita. Si tinge anche i capelli di rosso, come il resto dei Fire Hawks. Il nuovo senso di sé di Ansia è ora completo, ma fa credere a Riley di non essere abbastanza brava.
I quattro riescono finalmente a raggiungere il retro della mente e a trovare il vecchio Senso di Sé. Imbarazzo cerca di aiutare Tristezza a usare di nascosto il tubo di richiamo per riportare su i suoi amici, ma Ansia li raggiunge e rompe il tubo, distruggendolo completamente e lasciando gli altri senza modo di tornare indietro. Gioia è sopraffatta dalla disperazione e si rende conto che crescere significa provare meno gioia, ma non significa che lasceranno che Riley rimanga così.
La partita inizia con i Fire Hawks che giocano contro la squadra di Grace e Bree. Riley si impegna a fondo e cerca di dimostrare di essere la migliore, ma ignora il resto della squadra per cercare di battere il record di Val di segnare due gol come matricola. Su suggerimento di Rabbia, le emozioni convocano Pouchy. Pouchy è un personaggio simile a un marsupio magico che può fornire vari oggetti. In questo caso, le emozioni lo chiamano per ottenere della dinamite per creare una grande esplosione. L’esplosione provoca una valanga di brutti ricordi che trasporta le emozioni indietro al Quartier Generale. Questa azione è simbolica e rappresenta l’intento di utilizzare i ricordi negativi per spingere le emozioni originali a riprendere il controllo e a rimettere in equilibrio lo stato emotivo di Riley.
Il piano funziona, ma quando arrivano a destinazione Riley è già finita nella panchina delle penalità, dopo che il suo tentativo di segnare il terzo gol l’ha fatta sbattere contro Grace facendola ruzzolare. Riley si sente estremamente colpevole e comincia a soffrire di un attacco d’ansia per l’eccessiva pressione esercitata dall’emozione, mentre Ansia cerca disperatamente di sistemare tutto. Quando Riley viene mandata nella “penalty box” durante la partita di hockey, dentro la sua mente, Ansia prende il controllo e genera un tornado di emozioni negative intorno alla console delle emozioni. Questo tornado è visivamente rappresentato come un vortice di energia turbolenta che ruota intorno alla console, simbolizzando l’intenso stato di ansia e panico che Ansia ha scatenato. Ansia è intrappolata nel cuore del tornado, paralizzata dal suo stesso caos. La scena mostra Ansia che si aggrappa alla console, disperata e incapace di controllare la situazione, mentre il tornado imperversa intorno a lei.
Le nuove e vecchie emozioni si uniscono per cercare di allontanare il Senso di Sé ansioso, mentre Joy si spinge verso la console. Ansia è intrappolata in un tornado di sua creazione, incapace di fermare ciò che ha fatto e tristemente rassegnata al suo fallimento. Joy convince Ansia a lasciare la console. Joy sostituisce il Senso di Sé corrotto con quello vecchio, ma alla fine lo sostituisce di nuovo con un nuovo Senso di Sé che si combina con tutti i ricordi buoni e cattivi. Le emozioni, ora unite all’ansia, si uniscono per abbracciare il nuovo Senso di sé, permettendo finalmente a Riley di calmarsi. Bree e Grace si avvicinano a Riley nella panchina delle penalità e lei si scusa con loro per il suo comportamento. Le due la perdonano e la considerano ancora una migliore amica. Continuano a finire la partita.
Mesi dopo, Riley inizia la scuola con i Fire Hawks e aspetta con loro di sapere se è stata inserita nella lista dell’allenatrice. Continua a parlare con Bree e Grace, anche loro in attesa dei risultati. Nella testa di Riley, le emozioni ora lavorano tutte insieme per bilanciare i sentimenti e le emozioni mutevoli di Riley e formare la sua personalità complessa, accettando i suoi errori e valorizzando i suoi punti di forza. Alla conclusione del film, Riley riceve un messaggio sul telefono mentre è alla mensa della scuola. Prima pensa che sia dall’allenatrice Roberts, ma scopre che sono Grace e Bree che le augurano buona fortuna, dimostrando che le loro amicizie sono rimaste intatte nonostante tutto. Poco dopo, riceve un altro messaggio che la fa sorridere con un’espressione di shock. Anche se il film non esplicita se Riley sia riuscita a entrare nella squadra, la sua reazione implica che le notizie siano positive.
Durante i titoli di coda, si vede l’ansia dei genitori di Riley dopo che la ragazza ha affrontato con nonchalance l’esperienza del campo di hockey. Dopo i titoli di coda, Joy torna nel Vault per trovare Deep Dark Secret e chiedere quale sia il grande segreto di Riley. Lui dice che ha bruciato il tappeto di famiglia, ma Joy dice che pensava che fosse quando Riley ha fatto la pipì in piscina. Segreto torna quindi all’interno del caveau.