玩具们的主人安迪17岁了，马上即将迎来 他自己人生中的一个重要阶段——大学。同时，这个变故对于他的玩具们来说也意义重大，也许这将改变他们所有人的命运。正当伍迪和巴斯光年他们为未来担忧的时候，安迪决定仍然保留他所有的玩具，并且带着伍迪一起去大学，将剩下的放入阁楼。

但是，安迪的母亲却无意中将打包了玩具的箱子扔进了垃圾堆。当玩具们意识到自己置身于垃圾中时，他们都以为是安迪抛弃了他们。杰西这时号召大家掌控自己的命运，开始新的生活。

于是玩具们跳进了一个前往日托幼儿园的箱子。与此同时，伍迪作为唯一一个安迪的“亲随”并没有被放入箱子中。当他意识到大家不见了之后，便开始了他自己的拯救行动。但是不幸的是，最后他自己也被困在了箱子中。

玩具们来到幼儿园里不懂事的孩子们迫不及待地将他们的小脏手伸向这些新来的玩具们，受尽折磨的玩具们想换个地方，却发现他们在幼儿园其实毫无人身自由，玩具“大熊”控制着幼儿园玩具们的命运。离开的胡迪得知伙伴们的处境后决定与他们一起离开幼儿园，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。当然，他们将面临的是一次惊险无比的大冒险。