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）已长成17岁的阳光男孩。这年夏天，安迪即将离家踏上大学的旅程，他必须腾出房间留给妹妹。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）等玩具一直期盼着安迪能再次与他们玩耍，但随着岁月流逝，他们已被冷落在箱子里许久。安迪十分珍惜这些童年的玩伴，本打算将他们妥善存放在阁楼，谁曾想妈妈却误将玩具们当作废物扔到了街道上。玩具们误解了安迪的心意，以为被无情抛弃，于是愤然出走，阴差阳错之下被捐赠到了阳光之家幼儿园。伍迪尽力劝解大家，却收效甚微，只得独自黯然离开。巴斯光年等人原本以为在幼儿园将重新回到往昔被孩子们宠爱的快乐时光，不料却陷入了草莓熊控制一切的阴谋之中。不懂事的孩子们对这些新玩具肆意折磨，受尽苦难的玩具们渴望逃离，却发现这里毫无自由可言。得知伙伴们身处险境后，伍迪毅然决定折返，与他们共同酝酿一场惊险无比的伟大逃跑计划。