主角莱莉·安德森出生于美国明尼苏达州，在她脑中有五种情绪表现形式：快乐、忧愁、厌恶、恐惧和愤怒，这五种拟人化的情绪在莱莉的大脑总部中透过一个控制台影响莱莉的行为和记忆。而记忆被储存在彩色水晶球内，其中最重要的五颗快乐核心记忆存放在总部枢纽，各维持着一座塑造莱莉性格的个性岛屿。 莱莉11岁时父亲觅得新工作，举家迁往加州的旧金山，然而新居环境与莱莉的期望差距甚远，使她心情逐渐变差。在莱莉首天到新学校上学时，忧忧甚至使她在自我介绍时在全班面前哭了出来，因而产生一颗忧伤的核心记忆；乐乐试图把它放到输送管丢弃，却在和忧忧的争夺下撞掉了所有的核心记忆。输送管把乐乐、忧忧与被撞掉的五颗核心记忆吸离大脑总部、送往迷宫般的长期记忆存放区，莱莉的五座个性岛屿也因而失去功能。 留在大脑总部的怒怒、厌厌和怕怕试图在乐乐回来前维持莱莉快乐的情绪，却使莱莉逐渐疏远父母和朋友，以及放弃她最喜爱的运动——冰球；这也导致了三座个性岛屿的崩塌。在不断受挫后，怒怒植入了一则想法，使莱莉决定独自离开旧金山，回到明尼苏达州寻找快乐。 同时，乐乐及忧忧在长期记忆存放区中遇上莱莉儿时的幻想朋友冰棒，三人在探索莱莉脑中的不同区域后，带着所有核心记忆赶上了返回大脑总部的思路列车。此时，莱莉正偷走她母亲的信用卡以购买前往明尼苏达的长途客运车票，造成仅存的两座个性岛屿之一的诚实岛崩塌而使得旁边的火车出轨。他们被工人救起后，继而尝试利用回忆管将自己吸回大脑总部，而为避免莱莉再次感到悲伤，乐乐决定丢下忧忧独自回去。这时，莱莉要上学了，但是她完全不理会家人的关心，导致最后一座个性岛屿－家庭岛随之崩塌，回忆管也因此被扯断，使乐乐和冰棒掉入一切记忆会被遗忘销毁的记忆垃圾场。 在记忆垃圾场内，乐乐绝望之余，无意间发现莱莉数个快乐的核心记忆都是发生在悲伤的经历之后，终于明白了快乐与悲伤其实是一体两面、相辅相成的。冰棒和乐乐尝试利用莱莉儿时幻想的火箭逃离垃圾场，冰棒发现火箭无法乘载二人重量，于是牺牲自己让乐乐一人逃离。乐乐在长期记忆存放区中寻回忧忧并成功回到大脑总部；此时怒怒植入的想法已经使控制台失去功能，乐乐出于先前的认识，决定将控制权交给忧忧，而忧忧重新恢复了控制台并使莱莉回家。 在忧忧重新装回核心记忆后，莱莉回到家哭着向父母承认自己怀念昔日在明尼苏达州的生活，并获得了他们的安慰和体谅，事件形成一颗快乐与忧伤混合的核心记忆，继而建立了新的个性岛屿。一年后，莱莉已适应旧金山的新生活，大脑总部也已安装升级控制台。多种情绪混合的新核心记忆，创造出更完善的个性岛屿，也使得莱莉的情感生活更加丰富。