Премьера «Головоломки 2» состоялась 14 июня 2024 года в США.
Через два года после переезда в Сан-Францискоa, Райли, которой исполняется 13 лет, собирается поступать в старшую школу. За это время её эмоции — Радость, Печаль, Страх, Гнев и Брезгливость — обнаружили новый раздел сознания Райли под названием «Самосознание», в котором хранятся воспоминания и чувства, формирующие убеждения Райли. Радость намеревается наполнить «Самосознание» только позитивными воспоминаниями и для этого создаёт механизм, который отправляет любые негативные воспоминания на задворки сознания Райли. Тем временем Райли и её лучшие подруги Бри и Грейс приглашают на выходные в хоккейный лагерь, где Райли надеется попасть в команду своей школы «Жар-птицы». В ночь перед лагерем, в головном отделе срабатывает сигнал «Половое созревание», и в головной отдел врывается группа работников разума и обновляет консоль эмоций.
Утром эмоции пытаются работать с пультом, но Райли в итоге странно реагирует на любые их действия на консоли. В головном отделе также появляются четыре новые эмоции: Тревожность, Зависть, Стыд и Хандра (или Скука). Новые эмоции пытаются поладить со старыми, но в итоге оба поколения эмоций расходятся во мнениях со своими подходами. Радость считает, что Райли должна сосредоточиться на том, чтобы весело провести время в лагере, а Тревожность пытается предугадать будущее Райли, чтобы она получила место в команде и завела новых друзей, после того, как Райли узнала, что Бри и Грейс будут учиться в другой школе.
Радость отвергает все предложения Тревожности, и, из-за этого Райли нечаянно становится причиной того, что другие участники лагеря дважды подвергаются коллективному наказанию со стороны тренера Робертс, директора лагеря. Тревожность срывает старое самосознание и забрасывает его в глубины сознания Райли. После этого, новые эмоции, под командованием Тревожности, запирают старые эмоции в банку и отправляют в хранилище памяти. Тревожность возглавляет головной отдел и собирается создать новое «Самосознание» для Райли, используя для этого испорченные и негативные воспоминания. Формируя новое самосознание, Тревожность побуждает Райли подружиться с популярной хоккеистой лагеря Вэл Ортиз и заставляет игнорировать Бри и Грейс.
Старые эмоции, находясь в хранилище памяти, попадают в хранилище секретов, где находящиеся секреты разбивают их банку. Старые эмоции освобождаются и разделяются: Печаль с помощью трубы для воспоминаний отправляется в головной отдел, а остальные погружаются в глубины сознания Райли, чтобы найти её старое самосознание. Грусть попадает в головной отдел и сообщает другим старым эмоциям, что Тревожность заставляет Райли проникнуть в кабинет тренера и просмотреть её тетрадь, о которой также говорила Вэл. Узнав, что тренер не считает Райли готовой стать «Жар-птицей», Тревожность решает, что Райли нужно доказать её стремление вступить в команду и поэтому придумывает план, по которому Райли должна забить три шайбы на следующей игре. Тем временем, старые эмоции проникают в глубины сознания Райли и находят её самосознание. Тревожность полноценно формирует у Райли новое самосознание, которое, на удивление новых эмоций и самой Тревожности, культивирует в Райли неуверенность в себе. Стыд освобождает Печаль, которую захватила Тревожность, и пытается вернуть старые эмоции через новый механизм Радости, но Тревожность его разрушает, из-за чего старые эмоции оказываются отрезаны от головного отдела.
Гнев придумывает план, и с помощью одного из секретов Райли, вместе с другими эмоциями, взрывает каньон негативных воспоминаний. Попав в подкорку сознания Райли, эти воспоминания также начинают формировать в ней новые самосознания. Тем временем, на льду Райли, в стремлении доказать тренеру свою выносливость, случайно врезается в Грейс. Тревожность единолично берёт управление над пультом управления, пытаясь исправить ситуацию, и начинает сильно давить на Райли, из-за чего у неё случается паническая атака. Тревожность перестаёт себя контролировать, в связи с чем новые эмоции и Печаль пытаются сорвать новое самосознание Райли. В это же время прибывают старые эмоции и помогают новым, но ничего не выходит. Радость пробирается через вихрь панической атаки, пытается уговорить Тревожность отпустить Райли и заявляет, что не ей решать, какой должна быть Райли. Сквозь силу Тревожность отпускает пульт, Радость выносит её из вихря панической атаки и ставит старое самосознание, однако вихрь не заканчивается. Радость приходит к выводу, что до появления новых эмоций она также пыталась решать судьбу Райли, отправляя негативные эмоции в глубины сознания. Она срывает старое самосознание и на его месте появляется комбинированное самосознание, состоящее как из положительных, так и отрицательных воспоминаний. Старые и новые эмоции стабилизируют его, после чего паническая атака Райли проходит. Она приходит в себя, мирится с Бри и Грейс и продолжает игру, призывая Радость к пульту.
Спустя некоторое время Райли переходит в старшую школу и заводит дружбу с Вэл и другими «Жар-птицами», оставаясь при этом верной себе и сохраняя дружбу с Бри и Грейс. За обедом она вместе с командой ждет публикацию списка новичков в «Жар-птицы». Живя в мире, первое и второе поколения эмоций работают вместе, чтобы защитить навсегда изменившееся самосознание Райли. В финальной сцене Райли проверяет свой телефон, чтобы узнать, есть ли ее имя в списке, и с гордой улыбкой смотрит на себя в зеркало.
В сцене в начале титров демонстрируются сцена семейного ужина Райли и её семьи, где мама спрашивает ее, как прошел хоккейный лагерь. В подростковой манере Райли просто отвечает: «Нормально», после чего мы видим эмоции ее родителей, когда они реагируют на неответ дочери. И среди основных эмоции, показывается их Тревожность. Мамина паникует, а папина начинает паниковать, но быстро переходит в режим «ну и что».