Sinds we ze voor het laatst verlieten, zijn Buzz ( ingesproken door Tim Allen) en Woody (Tom Hanks) goede vrienden geworden, en heeft Andy (John Morris) hen blijft even liefdevol behandelen. Samen leiden ze hun toegewijde familie van speelgoed -- spaarpot Hamm (John Ratzenberger), Mr. Potato Head (Don Rickles), Slinky Dog (Jim Varney), Rex met korte armen (Wallace Shawn), Bo Peep (Annie Potts), Sarge (R. Lee Ermey) en zijn Green Army, en tientallen anderen -- boven elk obstakel uit. Totdat, zo blijkt, een geamputeerde arm Woody vastzet in de stoffige woestijn van Andy's bovenste plank. Terwijl zijn mede speelgoed probeert hem te kalmeren, realiseert Woody zich dat een oude vriend, Wheezy de Fluitende Pinguïn (Joe Ranft), op het punt staat zijn lot te ondergaan bij een garageverkoop. Sneller naar buiten rennend om zijn verlangende vriend te redden, wordt de brave cowboy gezien en gestolen door een hebzuchtige speelgoedverzamelaar (Wayne Knight) die wanhopig is om een onschatbare vier-figuren-collectie compleet te maken. Wanneer hij bij het appartement van de man aankomt, begint hij langzaam maar zeker een hechte band te voelen met Jessie de Yodeling Cowgirl (Joan Cusack), Stinky Pete de Prospector (Kelsey Grammer) en Bullseye het Getrouwe Paard, drie cowboy-geïnspireerde poppen die Woody vertellen dat hij is vervaardigd naar een beroemde marionet uit een ooit populaire tv-serie uit de jaren vijftig; een serie die een gelimiteerde uitgave produceerde van steeds zeldzamer wordende poppen voordat deze werd stopgezet. Terwijl Woody worstelt met kiezen tussen onsterfelijkheid in een museum met zijn nieuwe familie en zijn afnemende loyaliteit aan Andy, voert Buzz een gedurfd reddingsactie uit, leidt hij zijn mede speelgoed naar de winkel van de verzamelaar, en ontmoet hij veel meer problemen dan hij had kunnen verwachten.