Em um dia de bricandeiras de Bonnie após o Natal, a galera se encontra em um território desconhecido ao perceber que os bonecos de ação superdivertidos, na verdade, são malucos. Para que os brinquedos voltem para o quarto de Bonnie, tudo depende de Trixie, a triceratops.

Os brinquedos partem em uma viagem juntamente com Bonnie, mas um evento inesperado faz com que todos parem em um hotel de beira de estrada. Quando um dos brinquedos simplesmente desaparece, Woody, Buzz e toda a turma precisam enfrentar o medo do desconhecido para encontrá-lo.

Os brinquedos acham que Rex é um desmancha-prazeres. Mas quando Bonnie o leva para o banho, ele consegue reverter isso e passa a ser o lendário Festa-Sauro Rex!

O Buzz Lightyear é deixado para trás em uma lanchonete quando uma versão de brinquedo de lanche infantil do Buzz toma seu lugar. Enquanto os brinquedos de Bonnie estão presos com o imitador de Buzz de 6 cm de altura, o verdadeiro Buzz está preso no restaurante em um grupo de apoio para brinquedos descartados. Enquanto Woody e sua turma elaboram uma maneira de resgatar seu amigo, o Buzz tenta escapar da reunião de psicoterapia de brinquedos.

É tempo de férias para Bonnie, que está indo para o Havaí com sua família. Os brinquedos estão animados para uma semana de folga, mas Barbie e Ken entram na mochila de Bonnie, na esperança de ir com ela para o Havaí. Porém, Bonnie deixa sua mochila em casa, para horror de Ken. Barbie revela a Woody que Ken tinha planejado lhe dar o primeiro beijo na praia ao pôr do sol. Woody, Buzz e os outros brinquedos recriam o Havaí para os dois.

Quando Andy se prepara para ir para a faculdade, Woody, Buzz, Jessie e o restante dos leais brinquedos de Andy pensam o que irá acontecer com eles. Mas quando uma confusão faz com que eles sejam levados à creche Sunnyside, eles conhecem um anfitrião de novos brinquedos e logo descobrem que uma nova aventura selvagem está apenas começando!

Quando Andy viaja para um acampamento de verão, Woody é sequestrado por Al, um ambiocioso colecionador, que precisa do brinquedo favorito de Andy para completar sua coleção da Gangue do Rodeio. Junto com Jessie, Bala no Alvo e Mineiro, Woody corre o risco de ter que passar o resto de sua vida em exposição num museu. Agora, Buzz, Sr. Cabeça de Batata, Porquinho, Rex e Slinky terão que salvar seu amigo e trazê-lo de volta à vida de brinquedos.

Buzz Lightyear é o novo e sofisticado astronauta de brinquedo do garoto Andy. Buzz não imaginava que encontraria um rival: Woody, um cowboy de brinquedo que, dominado pelo ciúme, acredita ter perdido um lugar precioso no coração do seu dono. Os dois brinquedos vivem brigando até que vão parar nas garras do vizinho, um verdadeiro destruidor de brinquedos. Agora, mais do que nunca, Buzz e Woody precisam precisam se unir para escapar do perigo. Com a ajuda de seus amigos da caixa de brinquedos, eles vão viver uma incrível aventura.