距上一次的冒险已经过去整整11个年头，转眼间，安迪（约翰·莫里斯 John Morris 配音）已从懵懂男童成长为17岁的阳光少年。这年夏天，安迪即将离家踏上大学的全新旅程，他必须整理自己的房间，将空间留给妹妹。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）等玩具们一直满怀期待，盼望安迪能再次与他们玩耍。然而随着岁月的流逝，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，本打算将他们妥善收存在阁楼，唯独将伍迪留在身边。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，以为他再也不需要自己了，于是愤然出走，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。巴斯光年他们原本满心欢喜，以为将重新回到往昔被孩子们簇拥的快乐时光，不料却陷入了一场危机四伏的阴谋之中。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们，受尽折磨的同伴们这才发现，他们在幼儿园里毫无自由可言——玩具大熊“罗梭”犹如独裁者一般，牢牢控制着所有玩具的命运。独自离开的伍迪得知伙伴们的真实处境后，毅然决定折返，带领大家逃离这个堪比牢笼的地方，回到安迪的身边。他们万众一心，开始酝酿一个伟大的逃跑计划。当然，这群老朋友即将面临的，将是一次惊险无比的大冒险。在这场关于成长、忠诚与告别的旅途中，玩具们不仅迎来了前所未有的大团聚，更增添了抱抱熊、大宝宝、肯、邦妮等众多新面孔，共同书写下令人笑泪交织的终章。