Het publiek heeft tien lange jaren gewacht om für spirited toys en trouwe vrienden Sheriff Woody ( ingesproken door Tom Hanks) en Buzz Lightyear (Tim Allen) opnieuw op het grote scherm samen te zien. Maar ook voor Buzz en Woody zijn tien jaren verstreken. Afgedankt in een stoffige kast leiden het toegewijde duo een kleine rest van overlevende speelgoedjes -- oude maatjes die nu zevenenzestigjarige eigenaar Andy (John Morris) uit sentiment heeft vastgehouden -- en verzinnen ze uitgebreide manieren om zelfs maar een seconde van Andy’s aandacht te winnen. Welke speelgoedjes blijven er na jaren van rommelmarkten en vuilniszakken? Stoere cowgirl Jessie (Joan Cusack), spaarvarken Hamm (John Ratzenberger), schuchter dino Rex (Wallace Shawn), Mr. en Mrs. Potato Head (Don Rickles en Estelle Harris), de altijd trouwe Slinky Dog (Blake Clark), onverschrokken Green Army Men-soldaat Sarge (R. Lee Ermey) en Barbie (Jodi Benson), een opgewekt, domme speelgoedvrouw die met Buzz en Woody schuilde nadat Molly (Beatrice Miller), Andy’s zus, haar begon te negeren. Maar als er pratende speelgoedjes zijn, ligt er altijd onraad op de loer. Terwijl Andy zich voorbereidt op een studie aan de universiteit, vergist zijn moeder (Laurie Metcalf) zich in een tas vol speelgoed dat afval is en zet ze ze op de stoep. Woody, die de miscommunicatie heeft gezien, probeert wanhopig de situatie uit te leggen aan Buzz, Jessie en de andere verwarde speelgoedjes, maar zoals zo vaak, willen ze niet luisteren. In een donatiebox op weg naar Sunnyside Daycare Center springen ze op pad naar een plek van belofte en potentieel: een kleurrijke wereld waar ze elke dag zullen worden gespeeld zolang hun kogelgewrichten en stiksels het zullen volhouden. Woody is ervan overtuigd dat ze allemaal bij Andy horen, zelfs als het betekent dat ze in een doos op zolder moeten zitten, en hij zet de reis naar huis in gang.