Woody, Buzz Astral i reszta ekipy wyruszają w podróż z Bonnie i nową zabawką o imieniu Forky. Pełna przygód podróż zamienia się w nieoczekiwane spotkanie, gdy lekki objazd Woody'ego prowadzi go do jego dawno zaginionego przyjaciela Bo Peepa. Gdy Woody i Bo rozmawiają o dawnych czasach, szybko zaczynają zdawać sobie sprawę, że dzielą ich dwa światy, jeśli chodzi o to, czego chcą od życia jako zabawki.

Mały chłopiec imieniem Andy uwielbia przebywać w swoim pokoju i bawić się zabawkami, zwłaszcza lalką „Woody”. Ale co robią zabawki, kiedy Andy'ego nie ma z nimi, ożywają. Woody wierzy, że jego życie (jako zabawki) jest dobre. Jednak musi się martwić o przeprowadzkę rodziny Andy'ego, a Woody nie wie o przyjęciu urodzinowym Andy'ego. Woody nie zdaje sobie sprawy, że matka Andy'ego dała mu figurkę znaną jako Buzz Lightyear, który nie wierzy, że jest zabawką i szybko staje się nową ulubioną zabawką Andy'ego. Woody, który jest teraz pochłonięty zazdrością, próbuje pozbyć się Buzza. Wtedy zarówno Woody, jak i Buzz są teraz zgubieni. Muszą znaleźć sposób, aby wrócić do Andy'ego, zanim się bez nich ruszy, ale będą musieli przejść przez bezwzględnego zabójcę zabawek, Sida Phillipsa.

Andy ma teraz 17 lat i jest gotowy do pójścia do college'u, pozostawiając Woody'ego, Buzza, Jessie i resztę gangu zabawek, by zastanawiali się nad swoją niepewną przyszłością. Kiedy zabawki zostają przypadkowo przekazane do ośrodka Sunnyside Daycare, początkowo cieszą się, że można się nimi ponownie bawić, ale ich entuzjazm szybko ustępuje miejsca przerażeniu, gdy odkrywają prawdziwą naturę placówki pod rządami zwodniczo witającego „Lotso”. Niedźwiedź. Teraz wszystkie zabawki muszą połączyć się w jeden ostateczny, szalony plan, aby uciec z ich ograniczeń i wrócić do domu, do Andy'ego.

Kontynuacja opowieści sprzed kilku lat, zrealizowanej techniką komputerową. Akcja toczy się w domu chłopca, jego zabawki żyją własnym życiem. Jedna z figurek, kowboj, zostaje uszkodzona. Przez przypadek kowboj trafia na wyprzedaż rzeczy używanych.