Le public a attendu dix longues années pour voir les jouets animés et les fidèles amis Sham Sheriff Woody (doublé par Tom Hanks) et Buzz Lightyear (Tim Allen) réunis sur grand écran. Mais dix années se sont aussi écoulées pour Buzz et Woody. Rejetés dans un placard poussiéreux, le duo dévoué mène un petit reste de jouets survivants — de vieux amis que leur propriétaire désormais âgé de dix-sept ans, Andy (John Morris), a conservés par nostalgie — et imaginent des façons élaborées d’obtenir ne serait-ce qu’une seconde de l’attention d’Andy. Quels jouets restent après des années de vide-grenier et de sacs poubelles ? La farouche cowgirl Jessie (Joan Cusack), le cochon tirelire Hamm (John Ratzenberger), le dinosaure timide Rex (Wallace Shawn), M. et Mme Potato Head (Don Rickles et Estelle Harris), le Slinky Dog toujours loyal, le soldat des Green Army Men, Sarge (R. Lee Ermey) et Barbie (Jodi Benson), une jouet enjouée et peu futée qui a cherché refuge auprès de Buzz et Woody après que Molly (Beatrice Miller), la sœur d’Andy, aient commencé à l’ignorer. Mais lorsqu’il y a des jouets qui parlent, les ennuis ne tardent jamais. Alors qu’Andy se prépare à partir pour l’université, sa mère (Laurie Metcalf) prend un sac plein de jouets pour des ordures et les met sur le trottoir. Woody, ayant vu la méscommunication se produire, tente désespérément d’expliquer la situation à Buzz, Jessie et les autres jouets bouleversés, mais comme c’est souvent le cas, ils refusent d’écouter. Sauteant dans une boîte de dons destinée à Sunnyside Daycare Center, ils arrivent dans un lieu de promesse et de potentiel : un monde coloré où l’on jouera avec eux tous les jours tant que leurs joints à bille et leurs coutures dureront. Woody est convaincu qu’ils appartiennent tous à Andy, même si cela signifie rester dans une boîte dans un grenier, et il se met en route pour rentrer chez lui.