En esta emocionante secuela, Riley ha crecido y se enfrenta a los típicos retos de la adolescencia. Ahora en plena etapa de preadolescencia, sus emociones están aún más expuestas que antes, y todo parece un torbellino de cambios. Alegría, Tristeza, Miedo, Ira y Desagrado deben adaptarse a esta nueva etapa y encontrar su lugar en la mente de Riley.

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.