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）已成长为17岁的阳光男孩。这年夏天，安迪即将离家开启大学生活，他必须将房间收拾整齐留给妹妹。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与他们玩耍，但随着岁月流逝，他们已被冷落在箱子里很久。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，妈妈却错把玩具们当作废物扔到了街道上。玩具们误解了安迪的心意，以为被他抛弃，于是愤然出走，阴差阳错之下被捐赠到了阳光之家幼儿园。伍迪尽力劝解大家重归于好，却收效甚微，只得独自黯然离开。巴斯光年他们原本以为将在幼儿园重新回到往昔的快乐时光，不料却陷入了一场阴谋之中。他们发现幼儿园里毫无人身自由，独裁的玩具大熊“抱抱熊”控制着这里所有玩具的命运。为了重获自由，伍迪决定带领玩具们逃离幼儿园，回到安迪的身边。他们万众一心，开始酝酿一个伟大的逃跑计划，迎接他们的将是一场惊险无比的大冒险……