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距上一次的冒险已经过去11个年头，转眼间安迪（约翰·莫里斯 John Morris 配音）变成了17岁的阳光男孩。这年夏天，安迪即将开始大学生活，他必须将自己的房间收拾整齐留给妹妹。此前，伍迪（汤姆·汉克斯 Tom Hanks 配音）与巴斯光年（蒂姆·艾伦 Tim Allen 配音）等玩具一直期待安迪再和他们玩耍，但是随着岁月的流逝，他们被冷落在箱子里很久了。安迪十分珍惜这些童年的玩伴，于是准备将他们收在阁楼。谁曾想，妈妈却把玩具们当作废物扔到街道上。玩具们误解了安迪，于是愤然出走，宁可被捐赠到阳光之家幼儿园。 伍迪尽力劝解大家，却收效甚微，只得独自黯然离开。巴斯光年他们原本以为将重新回到往昔的快乐时光，不料却陷入一场阴谋之中……
安迪已经高中毕业了，即将成为大学生，而他的玩具，包括胡迪、巴斯光年都面临将要被放在阁楼上的命运。在他们被放到阁楼之前，却意外的被丢弃，并被一个清理垃圾的人所捡起。玩具们发现自己被带到了一个当地的日间托儿所，他们必须要在那儿想办法面对一群调皮且粗鲁的学龄前小孩。胡迪打算要带领他的朋友们逃离托儿所，并为自己和他们找到一个新的安身之处。但巴斯光年在一次尝试逃离的行动中受到了损伤，使得整件事情变得更复杂了……
