Las audiencias han esperado diez largos años para ver juguetes animados y amigos leales, el sheriff Woody (con la voz de Tom Hanks) y Buzz Lightyear (Tim Allen) reunidos en la gran pantalla. Pero también han pasado diez años para Buzz y Woody. Desechados en un armario polvoriento, el dúo diligente lidera a un pequeño remanente de juguetes supervivientes—viejos amigos a los que su ahora diecisiete años dueño, Andy (John Morris), ha guardado por motivos sentimentalistas— y sueñan con ideas elaboradas para ganar incluso un segundo de la atención de Andy. ¿Qué juguetes quedan tras años de ventas de garaje y bolsas de basura? Valiente vaquera Jessie (Joan Cusack), cerdito ahorrador Hamm (John Ratzenberger), dino tímido Rex (Wallace Shawn), el Sr. y la Sra. Cara de Papa (Don Rickles y Estelle Harris), el siempre leal Slinky Dog (Blake Clark), el intrépido soldado Hombres Verdes Sarge (R. Lee Ermey) y Barbie (Jodi Benson), una juguete alegre y tonto que buscó refugio con Buzz y Woody después de que Molly (Beatrice Miller), la hermana de Andy, empezara a ignorarla. Pero cuando hay juguetes parlantes, los problemas nunca están lejos. Mientras Andy se prepara para ir a la universidad, su madre (Laurie Metcalf) confunde una bolsa llena de juguetes con basura y los deposita en la acera. Woody, al ver que se produjo la malentendida, intenta desesperadamente explicar la situación a Buzz, Jessie y los demás juguetes angustiados, pero como suele ocurrir, se niegan a escuchar. Saltando a una caja de donaciones con destino a Sunnyside Daycare Center, llegan a un lugar de promesa y potencial: un colorido mundo donde serán jugados todos los días mientras sus articulaciones y puntadas aguanten. Woody está convencido de que todos pertenecen a Andy, incluso si eso significa sentarse en una caja en un ático, y se pone en camino a casa.