Головна героїня мультфільму "Думки навиворіт" - одинадцятирічна Райлі Андерсон (Кейтлін Ліас) - звичайна дівчинка. Як і всі підлітки, Райлі любить веселитися і радіти, а іноді сумує і чогось боїться. Причина мінливості настрою дівчинки - крихітні істоти-емоції, які мешкають в її голові: Радість (Емі Полер), Гнів (Льюїс Блек), Страх (Білл Гейдер), Гидливість (Мінді Кейлінг) і Печаль (Філліс Сміт). Щодня емоції допомагають Райлі впоратися з найрізноманітнішими ситуаціями, контролюючи всі її вчинки.
Весь цей час емоції дружили і завжди робили все спільно, поки не дізналися, що Райлі та її сім'я переїжджає у великий і галасливий мегаполіс. Після цього кожна з емоцій починає думати, що тільки вона знає, як найкраще адаптуватися на новому місці та впоратися з потенційними труднощами.
У результаті безперервних суперечок між емоціями в голові Райлі починається справжній бардак. Аби допомогти дівчинці пристосуватися до нової школи та завести нових друзів, емоції змушені припинити всі суперечки та знову діяти спільно - однак, кожна з них уже навчилася бути лідером і концентруватися лише на своїх навичках.