可爱的头脑特工小女孩莱莉（凯特林·迪亚斯 Kaitlyn Dias 配音）出生在明尼苏达州一个平凡的家庭中，从小她在父母的头脑特工呵护下长大，脑海中保存着无数美好甜蜜的头脑特工我与岳的肉体直接进去回忆。当然这些记忆还与几个莱莉未曾谋面的头脑特工伙伴息息相关，他们就是头脑特工人类的五种主要情绪：乐乐（艾米·波勒 Amy Poehl er 配音）、忧忧（菲利丝·史密斯 Phyllis 头脑特工Smith 配音）、怕怕（比尔·哈德尔 Bill Hader 配音）、头脑特工厌厌（敏迪·卡灵 Mindy Kaling 配音）和怒怒（刘易斯·布莱克 Lewis 头脑特工Black 配音）。乐乐作为团队的头脑特工我与岳的肉体直接进去领导，她协同其他伙伴致力于为小主人营造更多美好的头脑特工珍贵回忆。某天，头脑特工莱莉随同父母搬到了旧金山，头脑特工肮脏逼仄的头脑特工公寓、陌生的头脑特工校园环境、逐渐失落的头脑特工友情都让莱莉无所适从，她的负面情绪逐渐累积，内心美好的世界渐次崩塌。 为了保护这一切，乐乐只有行动起来……
