距上一次的冒險已經過去11個年頭，轉眼間安迪（約翰·莫裏斯 John Morris 配音）變成了17歲的陽光男孩。這年夏天，安迪即將開始大學生活，他必須將自己的房間收拾整齊留給妹妹。此前，伍迪（湯姆·漢克斯 Tom Hanks 配音）與巴斯光年（蒂姆·艾倫 Tim Allen 配音）等玩具一直期待安迪再和他們玩耍，但是隨著歲月的流逝，他們被冷落在箱子裏很久了。安迪十分珍惜這些童年的玩伴，於是準備將他們收在閣樓。誰曾想，媽媽卻把玩具們當作廢物扔到街道上。玩具們誤解了安迪，於是憤然出走，寧可被捐贈到陽光之家幼兒園。 

伍迪盡力勸解大家，卻收效甚微，只得獨自黯然離開。巴斯光年他們原本以為將重新回到往昔的快樂時光，不料卻陷入一場陰謀之中……