电影《脑内中毒大作战》将我们带入了樱井市子（真木阳子饰）的生活，一个因性格原因而一直未曾经历过甜蜜爱情的女性。然而，在一次聚会中，她偶然认识了年轻又略显木讷的早乙女亮一（古川雄辉饰），令她的生活出现了巨大的变化。

当市子和亮一在拥挤的车站重逢时，她的内心开始翻涌起各种情感。她陷入了一个复杂的抉择中，是上前打招呼呢，还是默默地路过？然而，在市子的大脑里，一个充满幽默和戏剧性的场景上演了。她的大脑被想象成了一个会议室，各种不同性格的“小人”代表了不同的内心声音，为她提供意见。

在这个大脑中的会议室里，有“理性”的吉田（西岛秀俊饰），有“积极”的石桥（神木隆之介饰），还有“冲动”的鸠子（樱田日和饰），甚至有“消极”的池田（吉田羊饰），以及负责记录的岸先生（浅野和之饰）。这些小人们在市子心中展开了一场热烈的辩论，关于是否要走上前去与亮一搭讪。