《頭腦大作戰》劇情主要講述萊莉的父親因為工作原因舉家搬遷到舊金山，萊莉只得和熟悉的中西部生活說再見。和所有人一致，萊莉也是被五種情緒共同支配——快樂、恐懼、憤怒、厭惡和悲傷。這五位情緒們居住在萊莉腦海里的控制中心，在那里他們可以通過適當調配來指導萊莉的日常生活。然而搬來舊金山，全新的環境與生活都需要萊莉適應，混亂漸漸在控制中心里滋生。雖然快樂——萊莉最主要也最重要的情緒嘗試著解決爭紛，但如何才能更好適應新城市、新家與新學校還是讓情緒們產生了沖突……