Setiap manusia dianugerahi berbagai macam emosi sejak lahir di dunia. Inside Out menceritakan bagaimana emosi-emosi manusia mengatur agar manusia dapat menjalankan kehidupan sehari-hari. Cerita bermula saat Riley lahir. Ketika Riley pertama kali membuka mata dan melihat wajah Ayah dan Ibunya, muncullah Joy, karakter yang menggambarkan emosi atau perasaan bahagia. Seiring berjalannya waktu dan bertumbuhnya Riley, munculah Anger yang menggambarkan kemarahan, Fear yang menggambarkan ketakutan, Sadness yang menggambarkan kesedihan dan Disgust yang menggambarkan rasa jijik. Kelima emosi ini memiliki tugas masing-masing dalam membantu Riley menjalani kesehariannya, Joy bertugas untuk membuat Riley bahagia, Anger bertugas untuk membuat Riley lebih berani, Fear bertugas untuk membuat Riley agar lebih berhati-hati, Disgust bertugas untuk melindungi Riley dari makanan yang bisa membuat Riley sakit, sedangkan Sadness selalu dianggap remeh karena hanya membuat Riley sedih. Setiap memori sepanjang hidup Riley, akan terbentuk menjadi sebuah bola dimana selama perjalanan hidupnya, bola-bola tersebut akan terkumpul sesuai dengan emosi yang Riley rasakan saat itu. Setiap kenangan tersebut nantinya akan disalurkan pulau-pulau yang membentuk karakter Riley, yaitu pulau keluarga, persahabatan, olahraga hoki, dan kekonyolan (humor). Awalnya, kehidupan Riley berjalan normal, hingga pada suatu hari ayahnya mendapatkan pekerjaan baru dan mengharuskan keluarga mereka untuk pindah ke San Fransisco. Setelah kepindahannya, entah kenapa, semua yang terjadi selalu tidak sesuai dengan harapan Riley. Sehingga membuat kelima emosi yang ada di kepalanya, berusaha keras untuk membantu Riley beradaptasi dengan lingkungannya.