主人公ライリーは父親の仕事の都合で家族と共にサンフランシスコに引っ越し、新たな環境に適応しようとしていた。しかしその時、ライリーの脳内で喜びと悲しみを司る二人の大臣「喜びちゃん」と「憂いちゃん」が広大な脳の世界で迷子になってしまう。脳本部には怒り、恐怖、嫌悪を担当する三人の幹部だけが残り、もともと楽観的だったライリーは世を拗ねた少女へと変貌してしまう。喜びちゃんと憂いちゃんは複雑な脳内世界で脳本部へ一刻も早く戻り、ライリーに本来の明るく健全な感情を取り戻さなければならない…