距上一次的冒险已经过去整整11个年头。转眼间，安迪（约翰·莫里斯 John Morris 配音）已从昔日的稚童长成17岁的阳光男孩。这年夏天，安迪即将开启大学生活，他必须腾出房间留给妹妹。而曾经与他形影不离的伍迪（汤姆·汉克斯 Tom Hanks 配音）与巴斯光年（蒂姆·艾伦 Tim Allen 配音）等玩具们，只能在箱子里黯然期盼主人再次与他们玩耍。安迪满心珍惜这些童年玩伴，本打算将他们妥善收存于阁楼。谁曾想，妈妈阴差阳错地将玩具们当作废物扔到了街道上。玩具们误解了安迪的心意，带着被抛弃的愤懑出走，阴差阳错之下被捐赠到了阳光之家幼儿园。伍迪极力劝解大家留下，却收效甚微，只得独自黯然离开。巴斯光年他们原本以为在幼儿园能重新回到往昔被孩子们环绕的快乐时光，不料却陷入了一场险恶的阴谋之中——他们不仅惨遭一群无法无天的小孩子粗暴对待，更发现幼儿园其实是被独裁的玩具大熊“抱抱熊”所严密控制，玩具们在这里毫无人身自由。为了重获自由，伍迪决定重返幼儿园，带领大家逃离魔窟回到安迪身边。万众一心的玩具们开始酝酿一个伟大的逃跑计划，而等待他们的，将是一场惊险无比的大冒险……