时光飞逝，转眼间距上一次的冒险已过去十一个年头。曾经的小男孩安迪（约翰·莫里斯 John Morris 配音）如今已长成17岁的阳光少年。这年夏天，即将步入大学校园的安迪必须整理好自己的房间，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）等玩具们一直满心期待着安迪能再次与他们玩耍，但随着岁月流逝，它们已被冷落在箱子中许久。 安迪十分珍惜这些陪伴他童年的玩伴，本打算将他们妥善收存在阁楼，只把伍迪留在身边。谁曾想，妈妈竟阴差阳错地把玩具们当作废物扔到了街道上。玩具们误以为安迪不再需要自己，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。然而，巴斯光年他们原本以为将重新回到往昔的快乐时光，不料却陷入了一场阴谋之中。幼儿园里不懂事的孩子们迫不及待地将小脏手伸向这些新玩具，受尽折磨的大家想要逃离，却发现这里由玩具大熊“洛索”严密控制着所有玩具的命运，毫无自由可言。 得知伙伴们身处险境，伍迪毅然决定折返，带领大家逃离这座“玩具地狱”。为了回到安迪的身边，玩具们万众一心，开始酝酿一个伟大的逃跑计划。当然，他们即将面临的，将是一次惊险无比的大冒险……