可爱的小女孩莱莉(凯特林·迪亚斯 Kaitlyn Dias 配音)出生在明尼苏达州一个平凡的家庭中,从小她在父母的呵护下长大,脑海中保存着无数美好甜蜜的回忆。当然这些记忆还与几个莱莉未曾谋面的伙伴息息相关,他们就是人类的五种主要情绪:乐乐(艾米·波勒 Amy Poehl er 配音)、忧忧(菲利丝·史密斯 Phyllis Smith 配音)、怕怕(比尔·哈德尔 Bill Hader 配音)、厌厌(敏迪·卡灵 Mindy Kaling 配音)和怒怒(刘易斯·布莱克 Lewis Black 配音)。乐乐作为团队的领导,她协同其他伙伴致力于为小主人营造更多美好的珍贵回忆。某天,莱莉随同父母搬到了旧金山,肮脏逼仄的公寓、陌生的校园环境、逐渐失落的友情都让莱莉无所适从,她的负面情绪逐渐累积,内心美好的世界渐次崩塌。
皮博迪(泰·布利尔 Ty Burrell 配音)是一条与众不同的小狗,它拥有绝伦无比的高智商,因此注定拥有迥异于同类的“狗生”。它持有哈佛学位,成功开发了新能源,圆满解决地缘政治,还创立了属于自己的公司。皮博迪偶然机缘下收养了和它有着类似经历的人类小孤儿舍曼(麦克斯·查尔斯 Max Charles 配音),它如同慈父一般悉心教育着他的儿子,并利用自己开发的时光机带舍曼回到未来每一个重要时刻,亲身经历书本上枯燥的历史事件。转眼舍曼到了上学的年龄,他丰富的历史知识得到老师表扬,却也引来高傲的小姑娘佩妮·彼得森
马丁(Michael J. Fox 饰)才回到现实世界与女友团聚,布朗博士(Christopher Lloyd 饰)就心急火燎地把他们带到了30年后的未来世界,原来这一次是马丁未来的两个孩子因参与抢劫锒铛入狱,博士要携马丁一起阻止悲剧发生。 周旋一番后,两个孩子被成功挽救,但三人回到现实世界后,却发现周遭发生了天翻地覆的变化,世界被贝夫(Thomas F. Wilson饰)所控制,马丁的父亲乔治惨死,母亲洛莲(Lea Thompson 饰)竟然成了贝夫的妻子! 这一切都是因为时光机器的秘密不慎被未来的