"Inside Out" menceritakan berbagai emosi yang ada di dalam tubuh seorang anak perempuan berusia 11 tahun bernama Riley. Di dalam pikirannya, terdapat lima perwujudan emosi, Joy (bahagia, Amy Poehler), Fear (takut, Bill Hader), Anger (marah, Lewis Black), Disgust (jijik, Mindy Kaling), dan Sadness (sedih, Phyllis Smith). Kelima emosi ini tinggal di sebuah tempat yang disebut Headquartes (markas besar), yaitu pusat kendali pikiran Riley yang membimbingnya dalam menjalani kehidupan sehari-hari.

Namun, keadaan jadi tak sama lagi ketika Riley, yang berasal dari daerah harus pindah ke kota metropolitan San Francisco mengikuti ayahnya. Headquarters pun menjadi kacau ketika Riley berusaha menyesuaikan diri dengan kehidupan kota besar. Sementara Joy berusaha untuk tetap optimis, kelima emosi ini berseteru tentang cara terbaik bagi Riley dalam menghadapi kehidupan di kota, rumah, dan sekolah yang baru.