Il pubblico ha atteso dieci lunghi anni per rivedere giocattoli vivaci e amici fedeli come Sheriff Woody (doppiato da Tom Hanks) e Buzz Lightyear (Tim Allen) riuniti sul grande schermo. Ma dieci anni sono passati anche per Buzz e Woody. Rimossi in un armadio polveroso, la coppia devota porta con sé una piccola coda di giocattoli sopravvissuti — vecchi amici che ora il diciassettenne proprietario, Andy (John Morris), ha conservato per motivi sentimentali — e sognano modi elaborati per conquistare anche solo un secondo dell’attenzione di Andy. Quali giocattoli restano dopo anni di mercatini delle pulci e sacchi della spazzatura? La vivace cowgirl Jessie (Joan Cusack), la piggy bank Hamm (John Ratzenberger), il dino timid Rex (Wallace Shawn), Mr. e Mrs. Potato Head (Don Rickles e Estelle Harris), l’eterna lealtà di Slinky Dog (Blake Clark), il coraggioso soldato Green Army Men Sarge (R. Lee Ermey) e Barbie (Jodi Benson), un giocattolo allegro e un po’ sciocco che trovò rifugio con Buzz e Woody dopo che Molly (Beatrice Miller), la sorella di Andy, iniziò a ignorarla. Ma quando ci sono giocattoli parlanti, i guai non sono mai lontani. Mentre Andy si prepara a partire per il college, sua madre (Laurie Metcalf) scambia una busta piena di giocattoli per rifiuti e li lascia sul marciapiede. Woody, avendo visto che si è verificata la fraintesa, cerca disperatamente di spiegare la situazione a Buzz, Jessie e agli altri giocattoli sconvolti, ma come spesso accade, si rifiutano di ascoltare. Saltando in una scatola di donazioni diretta al Sunnyside Daycare Center, arrivano in un luogo di promesse e potenzialità: un mondo colorato dove saranno giocati ogni giorno finché dureranno le loro giunture tonde e le cuciture. Woody è convinto che appartengano tutti ad Andy, anche se ciò significa restare in una scatola in soffitta, e parte per tornare a casa.