玩具們的主人安迪今年17歲了，連忙即將迎來他自己人生中的一個重要階段--大學。同時，這個變故對於他的玩具們來說也意義重大，也許這將改變他們所有人的命運。正當伍迪和巴斯光年他們為未來擔憂的時候，安迪決定仍然保留他所有的玩具，並且帶著伍迪一起去大學，將剩下的放入閣樓。但是，安迪的母親卻無意中將打包了玩具的箱子扔進了垃圾堆。當玩具們意識到自己置身於垃圾中時，他們都以為是安迪拋棄了他們。牧羊女傑西這時號召大家掌控自己的命運，開始新的生活。於是玩具們跳進了一個前往日托幼兒園的箱子。與此同時，伍迪作為唯一一個安迪的"親隨"並沒有被放入箱子中。當他意識到大家不見了之後，便開始了他自己的拯救行動。但是不幸的是，最後他自己也被困電影下載在了箱子中。來到新的環境後玩具們碰到很多新的朋友，同時也有許多並不十分友好的玩具在那裏等著給他們製造麻煩。玩具們需要闖過許多難關才能找到回家的路，而首先，伍迪必須讓同伴們信服，安迪並沒有拋棄他們。