距上一次的奇妙冒险已经过去整整十一个年头，转眼间，安迪（约翰·莫里斯 John Morris 配音）已长成17岁的阳光大男孩。这年夏天，即将步入大学校园的安迪必须腾出房间留给妹妹。此前，胡迪（汤姆·汉克斯 Tom Hanks 配音）与巴斯光年（蒂姆·艾伦 Tim Allen 配音）等玩具一直期盼着能再与安迪玩耍，但随着岁月流逝，他们已在箱子中被冷落了许久。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，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。玩具们误以为安迪抛弃了自己，愤然出走，宁愿被捐赠到阳光之家幼儿园。胡迪尽力劝解大家却收效甚微，只得独自黯然离开。巴斯光年等人原本以为能在幼儿园重回往昔的快乐时光，不料却陷入了一场阴谋——他们不仅遭遇了迫不及待伸出脏手的小孩子们，还发现幼儿园里毫无人身自由，玩具们的一切命运都被独裁的玩具大熊“抱抱熊”牢牢控制着。为了重获自由，胡迪决定折返并带领大家逃离魔窟、回到安迪身边。玩具们万众一心，开始酝酿一个伟大的逃跑计划，迎接他们的，将是一次惊险无比的大冒险……