距上一次的冒险已经过去11个年头，转眼间安迪（约翰·莫里斯 John Morris 配音）变成了17岁的阳光男孩。这年夏天，安迪即将踏上大学生活的旅程，必须将自己的房间收拾整齐留给妹妹。此前，伍迪（汤姆·汉克斯 Tom Hanks 配音）与巴斯光年（蒂姆·艾伦 Tim Allen 配音）等玩具一直满心期待安迪能再和他们玩耍，但随着岁月的流逝，他们已被冷落在箱子里很久了。安迪十分珍惜这些童年的玩伴，本准备将他们收存在阁楼，唯独把胡迪留在身边。谁曾想，妈妈却阴差阳错地把玩具们当作废物扔到了街道上。玩具们误解了安迪的本意，愤然出走，宁可被捐赠到阳光之家幼儿园。伍迪尽力劝解大家，却收效甚微，只得独自黯然离开。巴斯光年他们原本以为将重新回到往昔的快乐时光，不料却陷入了玩具大熊“罗梭”控制的阴谋之中。在幼儿园里，不懂事的孩子们迫不及待地将小脏手伸向新来的玩具，受尽折磨的玩具们想换个地方，却发现自己毫无人身自由。离开的胡迪得知伙伴们的真实处境后，毅然决定返回，与他们共患难并一起回到安迪的身边。万众一心之下，玩具们开始酝酿一个伟大的逃跑计划。当然，他们将面临的，注定是一次惊险无比的大冒险……