Riley, adolescente depuis peu, au moment où le Quartier Cérébral doit être démoli pour faire place à un événement totalement inattendu : de nouvelles Émotions ! Joie, Tristesse, Colère, Peur et Dégoût, qui ont longtemps su contrôler les choses avec succès, ne savent pas comment réagir à l'arrivée d'Anxiété. Et il semblerait qu'elle ne soit pas seule. Elle est venue accompagnée d'Embarras, Envie et Ennui.

Monstropolis est une petite ville peuplée de monstres dont la principale source d’énergie provient des cris des enfants. Monstres & Cie est la plus grande usine de traitement de cris de la ville. Grâce au nombre impressionnant de portes de placards dont dispose l’usine, une équipe de monstres d’élite pénètre dans le monde des humains pour terrifier durant la nuit les enfants et récolter leurs hurlements. Le Terreur d’élite le plus réputé de Monstres & Cie s’appelle Jacques Sullivent, alias Sulli. C’est un monstre cornu de 2 m 40 de haut à la fourrure bleu-vert tachetée de violet. Une nuit, alors qu’il se trouve à « l'étage de la Terreur », il s’aperçoit qu’une porte de placard n’a pas été fermée correctement. Pour vérifier que tout est en place, il l’ouvre, permettant sans le vouloir à Bouh, une petite fille, de pénétrer dans son monde.

À 78 ans, Carl n'envisage plus qu'une chose : finir tranquillement sa vie dans la petite maison où il a passé toute une existence paisible auprès de son épouse Ellie. Veuf désormais, il reste, en effet, attaché à son passé en refusant les propositions mirobolantes d'un promoteur pour racheter son bien. Quand des circonstances exceptionnelles le contraignent d'intégrer une maison de retraite, il prend une ultime fois les choses en mains et, transformant sa demeure en dirigeable, s'envole pour l'aventure, vers la partie du monde où sa femme et lui s'étaient promis un jour de s'installer. Il ne se doute pas alors qu'il a emporté avec lui un jeune passager clandestin, Russell et que le voyage sera loin d'être de tout repos…

Riley est déracinée du Mid-Ouest quand son père est muté à San Francisco. Comme tous, Riley est guidée par ses Émotions : Joie, Peur, Colère, Dégoût et Tristesse. Les Émotions vivent au Quartier Cérébral, où elles la conseillent au quotidien. Alors que Riley et ses Émotions se bagarrent, c’est la crise au Quartier Cérébral. Joie, l'Émotion principale de Riley, essaie de rester positive alors que les autres Émotions essaient de s'adapter à la nouvelle vie de Riley.