Publikum har ventet i ti lange år på å få se livlige leker og trofaste venner Sheriff Woody (stemt av Tom Hanks) og Buzz Lightyear (Tim Allen) gjenforenes på storskjermen. Men ti år har også gått for Buzz og Woody. Kastet ut i et støvete skap, leder det pliktoppfyllende duoen en liten rest av overlevende leker — gamle venner som nå sytten år gamle eier Andy (John Morris) har beholdt av sentimental grunner — og drømmer om forseggjorte måter å få enda ett øyeblikk av Andys oppmerksomhet. Hvilke leker gjenstår etter år med loppemarkeder og søppeletpose? Frampå jente-cowgirl Jessie (Joan Cusack), sparebøssen Hamm (John Ratzenberger), feig dino Rex (Wallace Shawn), Mr. og Mrs. Potato Head (Don Rickles og Estelle Harris), den alltid lojale Slinky Dog (Blake Clark), den fryktløse Green Army Men-soldaten Sarge (R. Lee Ermey) og Barbie (Jodi Benson), en livlig, ganske dum lekekamerat som søkte tilflukt hos Buzz og Woody etter at Molly (Beatrice Miller), Andys søster, begynte å ignorere henne. Men når det er snakkelige leker, er trøbbel aldri langt unna. Når Andy forbereder seg på å dra på college, tar moren hans (Laurie Metcalf) feil av en pose fulle av leker for søppel og setter dem ut på fortauet. Woody, som har sett misforståelsen skje, prøver desperat å forklare situasjonen til Buzz, Jessie og de andre fortvilede lekene, men som ofte skjer, nekter de å høre. Hoppe inn i en gaveeske som skal til Sunnyside Daycare Center, ankommer de til et sted av løfter og muligheter: en fargerik verden hvor de vil bli lekt med hver dag så lenge ballleddene og sømmene varer. Woody er overbevist om at de alle tilhører Andy, selv om det betyr å sitte i en eske på loftet, og legger ut på hjemturen.