Jahrelang haben das Publikum gespannt darauf gewartet, wieder aufgeweckte Spielzeuge und treue Freunde Sheriff Woody (gesprochen von Tom Hanks) und Buzz Lightyear (Tim Allen) auf der großen Leinwand zu sehen. Doch auch Buzz und Woody sind seit zehn Jahren gealtert. Im staubigen Kleiderschrank entsorgt, führen das pflichtbewusste Duo eine kleine Überlebensgruppe von Spielzeugen an – alte Freunde, die ihr jetziger siebzehnjähriger Besitzer Andy (John Morris) aus sentimentalen Gründen festgehalten hat – und träumen sich elaborate Wege aus, auch nur eine Sekunde Andys Aufmerksamkeit zu erhaschen. Welche Spielzeuge bleiben nach Jahren voller Garagenverkäufe und Müllsäcke übrig? Die zickige Rancherin Jessie (Joan Cusack), das Sparschwein Hamm (John Ratzenberger), der überängstliche Dino Rex (Wallace Shawn), Mr. and Mrs. Potato Head (Don Rickles und Estelle Harris), der immer treue Slinky Dog (Blake Clark), der furchtlose Green Army Men-Soldat Sarge (R. Lee Ermey) und Barbie (Jodi Benson), ein munteres, leicht begriffsstutziges Spielzeug, das Zuflucht bei Buzz und Woody suchte, nachdem Molly (Beatrice Miller), Andys Schwester, begonnen hatte, es zu ignorieren. Doch wo es sprechende Spielzeuge gibt, ist Ärger nie weit. Als Andy sich aufs College vorbereitet, verwechselt seine Mutter (Laurie Metcalf) eine Tüte voller Spielzeuge mit Müll und stellt sie am Bordstein ab. Woody, der die Fehlkommunikation miterlebt hat, versucht verzweifelt, Buzz, Jessie und die anderen verzweifelten Spielzeuge von der Situation zu überzeugen, doch wie so oft weigern sie sich, zuzuhören. In eine Spendenbox kletternd, die nach Sunnyside Daycare Center geht, kommen sie an einen Ort der Verheißung und des Potenzials an: eine farbenfrohe Welt, in der man jeden Tag so lange gespielt wird, wie ihre Kugelgelenke und Nähte halten. Woody ist überzeugt, dass sie alle bei Andy gehören, auch wenn das bedeutet, in einer Kiste auf dem Dachboden zu sitzen, und macht sich auf den Heimweg.