Depuis notre dernière rencontre, Buzz (doublé par Tim Allen) et Woody (Tom Hanks) sont devenus de bons amis, et Andy (John Morris) continue de leur témoigner la même affection. Ensemble, le duo mène leur fidèle famille de jouets — Hamm le cochonnet-banquier (John Ratzenberger), Mr. Potato Head (Don Rickles), Slinky Dog (Jim Varney), Rex aux petits membres (Wallace Shawn), Bo Peep (Annie Potts), Sarge (R. Lee Ermey) et son Armée Verte, et des dizaines d’autres — au-delà de tout obstacle. Jusqu’à ce qu’un bras déchiré laisse Woody muet dans le désert poussiéreux de l’étagère supérieure d’Andy. Pendant que ses compagnons jouets tentent de le raisonner, Woody réalise qu’un vieil ami, Wheezy le Pingouin Siffleur (Joe Ranft), est sur le point de rencontrer son destin lors d’un vide-grenier. Se précipitant dehors pour sauver son ami voué à l’échec, le cow-boy dévoué est repéré et volé par un collectionneur de jouets avide (Wayne Knight) désespéré de compléter une collection inestimable de quatre figures. À son arrivée dans l’appartement de cet homme, il commence lentement à s’attacher à Jessie la Cowgirl qui Apprend le Yodel (Joan Cusack), Stinky Pete le Prospecteur (Kelsey Grammer) et Bullseye le Cheval Fidèle, trois poupées au thème cowboy qui disent à Woody qu’il a été façonné d’après une célèbre marionnette d’une série télévisée des années 50 autrefois populaire; une série qui produisit une édition limitée de poupées de plus en plus rares avant d’être annulée. Alors que Woody lutte pour choisir entre l’immortalité dans un musée avec sa nouvelle famille et sa loyauté vacillante envers Andy, Buzz accomplit une sauvetage audacieux, guide ses compagnons jouets vers le magasin du collectionneur et rencontre bien plus d’ennuis que prévu.