自從上一集牛仔伍迪救回巴斯光年之后，他一直和其他玩具一起快樂的生活在小主人家。一次，小主人參加夏令營去了，伍迪因為破舊而沒被帶去。留在家里的伍迪恰巧被一個玩具收藏家發現了，認為他是近代最具代表性的玩具。于是將伍迪被偷了出來放在頗富盛名的文化博物館內展覽。在家里所有的玩具都很擔心伍迪，因此巴斯光年自告奮勇去尋找伍迪。當他們發現伍迪在展覽館時，博物館內的古董玩具牛頭犬和紅心勸說伍迪留下成為經典藏品，而伍迪因渴望被永恒珍視逐漸動搖。巴斯與玩具們冒險潛入展覽館營救時，伍迪最終被牛頭犬為保護他而自我犧牲的舉動觸動，在榮譽與陪伴間作出選擇。全員成功逃離后，伍迪帶著對自我價值的新認知回歸小主人家，與伙伴們繼續守護這個充滿愛的玩具世界。