距上一次的冒險已經過去11個年頭，轉眼間安迪（約翰·莫里斯配音）變成了17歲的陽光男孩。這年夏天，安迪即將開始大學生活，他必須將自己的房間收拾整齊留給妹妹。此前，伍迪（湯姆·漢克斯配音）與巴斯光年（蒂姆·艾倫配音）等玩具一直期待安迪再和他們玩耍，但是隨著歲月的流逝，他們被冷落在箱子里很久了。安迪十分珍惜這些童年的玩伴，于是準備將他們收在閣樓。誰曾想，媽媽卻把玩具們當作廢物扔到街道上。玩具們誤解安迪，于是憤然出走，寧可被捐贈到陽光之家幼兒園。伍迪盡力勸解大家，卻收效甚微，只得獨自黯然離開。巴斯光年他們原本以為將重新回到往昔的快樂時光，不料卻陷入一場陰謀之中。陽光之家幼兒園表面由毛絨玩具洛夫特領導，實則長期囚禁不聽話的新來者。伍迪折返后揭露了洛夫特的真實意圖，帶領玩具們用焚化爐傳送帶展開驚險逃生計劃。最終在垃圾場被回收車救出后，玩具們得知安迪本意是帶他們前往大學，但最終選擇捐贈給小女孩邦妮延續陪伴使命。