距离上一次的奇妙冒险，时光已悄然走过十一个年头。转眼间，昔日的 小男孩安迪（约翰·莫里斯 John Morris 配音）已经成长为17岁的阳光少年。这年夏天，安迪即将踏上大学生活的崭新旅程，他必须整理自己的房间，将空间留给妹妹。多年来，伍迪（汤姆·汉克斯 Tom Hanks 配音）与巴斯光年（蒂姆·艾伦 Tim Allen 配音）等玩具们一直满怀期待，盼望着安迪能再次与他们玩耍，但随着岁月的流逝，他们只能在箱子里备受冷落。安迪十分珍惜这些陪伴他度过童年的玩伴，原本准备将他们妥善收存在阁楼，并特意将伍迪留在身边。谁曾想，妈妈竟阴差阳错地将玩具们当作废物扔到了街道上。玩具们深深误解了安迪的心意，以为被无情抛弃，于是愤然出走，阴差阳错之下被捐赠到了阳光之家幼儿园。伍迪极力劝解大家回到安迪身边，却收效甚微，只得独自黯然离开。巴斯光年他们原本以为在幼儿园将重新回到往昔被孩子们宠爱的快乐时光，不料却陷入了一场阴谋之中。幼儿园里不懂事的小朋友们迫不及待地将小脏手伸向新来的玩具们，让他们受尽折磨。当受难的玩具们想换个地方时，才惊觉自己在这里毫无人身自由——残暴的玩具大熊“控制着幼儿园玩具们的命运”。独自离开的伍迪得知伙伴们的悲惨处境后，毅然决定重返幼儿园，与大家共患难。他们万众一心，开始酝酿一个伟大的逃跑计划，力争回到安迪的身边。当然，他们将面临的是一次惊险无比的大冒险。这不仅是一场关于自由与友谊的逃亡，更是玩具们与安迪之间一场充满不舍与告别的成长礼赞。