En un universo donde los Autobots y Decepticons apenas comienzan a delinear sus respectivas trayectorias, un joven Optimus Prime se encuentra en medio de un tumultuoso conflicto que amenaza con destruir su hogar, Cybertron. Con la ayuda de su mentor, el sabio y experimentado Orion Pax, Optimus debe aprender a liderar y a lidiar con los desafíos de ser el futuro líder de su pueblo mientras se enfrenta a los malvados Decepticons, liderados por el carismático pero despiadado Megatron.

En esta cuarta entrega de la entrañable franquicia, Woody, Buzz y el resto de los juguetes han encontrado un nuevo hogar con Bonnie, la niña que ahora los cuida. Sin embargo, Woody sigue luchando con su identidad y propósito, ya que Bonnie ya no lo elige tanto como antes. Todo cambia cuando, durante un viaje por carretera, Bonnie crea un nuevo "juguete" llamado Forky, hecho de utensilios desechables. Para Woody, Forky representa mucho más que un simple juguete; es una manifestación del amor y la creatividad de Bonnie.

En una tarde soleada en San Francisco, la vida de Riley da un giro inesperado cuando comienza a experimentar su primer flechazo. La adolescente está emocionada por salir con un amigo especial, pero sus emociones no son las únicas que entran en acción esa noche. Dentro de su mente, las emociones personificadas —Alegría, Tristeza, Miedo y Desagrado— están en pie de guerra. Mientras Riley se prepara para la cita, Alegría intenta mantener el ánimo en alto, convencida de que esta será una experiencia mágica.

En un mundo dentro de la mente de una niña llamada Riley, cinco emociones esenciales toman el control de su vida diaria: Alegría, Tristeza, Miedo, Ternura y Desagrado. Cuando Riley es forzada a mudarse de su hogar en Minnesota a la caótica San Francisco, las cosas se complican para ella y para las emociones que la guían. Alegría, siempre optimista, intenta mantener el ánimo de Riley en alto y hacer que su transición sea algo positivo.