安迪已经长大成人，正准备离家前往大学，展开新的生活。安迪舍不得巴斯和胡迪这些陪伴他十几年的玩具，想把玩具们存入自家阁楼，但把胡迪留了下来。安迪妈妈错把玩具们当成垃圾扔掉，玩具们却误以为安迪不要它们了。阴差阳错地被捐到幼儿园的玩具们想象以后的美好生活，不愿与胡迪回去，胡迪只能一人离开。
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……