Bea, cewek 12 tahun, baru pindah ke apartemen neneknya, Margaret, di New York. Sementara itu, ayahnya lagi nunggu operasi jantung di rumah sakit yang—nggak kebetulan—juga tempat ibunya meninggal beberapa tahun lalu. Meski masih kecil, Bea ngotot banget bilang kalau dia udah bukan anak-anak lagi. Tapi malam itu, rasa penasarannya muncul pas dia ngintip isi lemari penuh barang-barang masa kecilnya.

Nggak lama kemudian, dia ngelihat makhluk aneh yang belum pernah dia temui. Karena penasaran, dia ngikutin makhluk itu sampai ke gedung apartemen neneknya. Malam berikutnya, dia lihat lagi makhluk itu, kali ini bareng seorang pria misterius. Bea pun membuntuti mereka ke sebuah rumah dekat situ dan akhirnya tahu kalau pria itu bernama Calvin (atau biasa dipanggil Cal). Di sana, Cal kelihatan lagi nolongin makhluk berbulu besar berwarna ungu bernama Blue.

Bea juga ketemu makhluk lain, semacam kupu-kupu cantik bernama Blossom — tapi karena kaget, Bea langsung pingsan. Begitu bangun, dia udah ada di apartemennya Cal. Dari situ Bea baru tahu kalau Cal sebenernya “kerja” bareng para Imaginary Friends (IF) alias teman khayalan yang dulu punya anak-anak manusia, tapi sekarang ditinggal karena anak-anak itu udah tumbuh besar dan lupa sama mereka. Awalnya Bea ragu mau ikut bantu, tapi akhirnya dia luluh dan mutusin buat gabung bantuin Cal.

Keesokan harinya, Cal ngajak Bea ke tempat keren bernama Memory Lane Retirement Home—semacam panti jompo untuk para IF yang udah dilupakan. Tempatnya tersembunyi di bawah wahana ayunan di Coney Island. Di sana, Bea ketemu boneka beruang tua bernama Lewis yang bijak banget. Dari Lewis, Bea dapet semangat buat ngerombak tempat itu pakai imajinasinya biar lebih hidup lagi.

Bea sempat nyoba ngenalin salah satu IF ke anak kecil bernama Benjamin yang lagi dirawat di rumah sakit, tapi sayangnya si anak nggak bisa ngelihat para IF itu. Lalu Lewis bilang mungkin tujuan para IF bukan cari anak baru, tapi malah ketemu lagi sama anak lamanya yang udah gede.

Suatu hari, nenek Margaret cerita soal impiannya dulu yang pengen banget jadi penari. Waktu Bea lihat foto masa kecil neneknya, dia sadar: Blossom ternyata dulu adalah IF-nya nenek Margaret! Tapi sekarang si nenek udah nggak bisa ngelihat Blossom lagi. Bea lalu nyoba bantu neneknya buat inget masa lalunya—dia puter piringan musik jadul, dan Margaret pun mulai menari dengan bahagia. Saat itu juga Blossom bersinar terang dan tumbuh sayap kupu-kupu cantik, kayak simbol kalau dia udah “menemukan kembali” anak yang dulu dia temani.

Nggak berhenti di situ, Bea, Cal, dan Blue kemudian dapet kabar soal “anak lama”-nya Blue—seorang pria bernama Jeremy yang sekarang udah dewasa dan sibuk banget ngejar urusan bisnis. Dengan bantuan Bea, Jeremy akhirnya inget lagi masa kecilnya bareng Blue. Begitu kenangan itu muncul, Blue langsung bersinar, dan saat dia menyentuh Jeremy, cahaya itu ikut menyebar ke tubuh Jeremy. Momen itu bikin Jeremy tenang dan percaya diri lagi.

Blue pun jadi semacam pahlawan di Memory Lane. Semua IF senang, dan Bea sadar kalau dia dan Cal sebenernya tim yang solid banget.

Tapi di sisi lain, Bea pulang ke apartemen neneknya dan dapet kabar kalau ayahnya lagi dioperasi. Dia panik, tapi Cal menenangkan dan nyaranin Bea buat cerita sesuatu ke ayahnya— bukan cuma nangis atau takut. Akhirnya Bea datang ke rumah sakit dan mulai bercerita ke ayahnya yang belum sadar. Dia bilang kalau selama ini dia sok-sokan pengen jadi dewasa padahal sebenarnya masih anak kecil yang butuh ayahnya. Kalimat itu bikin suasana jadi super emosional… dan tiba-tiba, ayahnya bangun!

Tapi pas Bea keluar dari kamar, semua IF yang tadi nemenin dia udah menghilang satu per satu.

Bea pun balik ke gedung neneknya buat ngucapin makasih ke Cal—eh, tapi pas dia buka pintu apartemen Cal, isinya cuma ruangan kosong yang penuh debu dan barang lama. Seolah-olah Cal nggak pernah ada di sana. Beberapa waktu kemudian, ayahnya Bea sembuh dan mereka siap pulang. Tapi pas Bea lihat lukisan lama yang dia buat waktu kecil, dia nyadar sesuatu: Cal ternyata adalah IF-nya sendiri!

Dulu waktu ibunya meninggal, Bea lupa sama Cal karena terlalu sibuk menghadapi rasa sedihnya. Bea pun langsung lari ke ruangan Cal, berterima kasih karena udah selalu nemenin dan bilang kalau dia akan selalu butuh Cal dalam hidupnya. Dan begitu kata-kata itu keluar, Cal dan para IF muncul lagi di hadapan Bea, bersinar dan memeluknya untuk terakhir kalinya. Cahaya hangat menyelimuti mereka—tanda kalau Bea udah berdamai dengan masa lalunya.

Beberapa waktu setelah itu, Cal terus melanjutkan misinya: mempertemukan kembali para IF dengan “anak-anak lama” mereka yang udah dewasa. Di akhir film, si Benjamin kecil akhirnya bisa ketemu IF-nya sendiri—seekor naga lucu berkacamata yang bertingkah kayak dokter tapi penuh luka di tubuhnya, persis kayak Benjamin yang juga sedang berjuang buat sembuh.