카우보이 인형 우디는 주인인 앤디의 가장 사랑받는 장난감이다.
그러나 어느날 버즈라는 새로운 장난감이 등장한다.

버즈는 최신형 장난감으로 레이저 빔 등의 첨단장비를 갖추고 있으나
자신이 장난감임을 인식하지 못하고 자신이 갖춘 장비로 하늘을 날 수 있다고 믿고 있다.
버즈의 허상을 상처받지 않고 인식시켜 주려는 우디와 친구들.

그러나 뜻밖의 사고가 일어난다. 옆집 개에게 버즈가 납치당하고
이런 버즈를 구하기 위해 우디와 친구들은 구조대를 조직해 버즈를 구하러 가는데...

앤디가 카우보이 캠프에 간 동안 앤디의 어머니는 벼룩 시장을 열고 앤디의 장난감 중 위지가 팔려가게 될
운명이 되자 어깨 부상을 입은 우디는 위지를 구하러 간다. 그러나 우디는 토이 수집가 알에게 유괴당한다.

알은 우디를 새 것처럼 고쳐주고 제시와 스팅키는 우디와 함께 박물관으로 갈 것을 우디에게 요청한다.
앤디와 토이 친구들을 생각하며 처음엔 거절했으나 우디는 그들과 함께 박물관으로 가기로 한다.

그러나 이 사실을 모르는 버즈와 토이 친구들은 구조대를 결성해 우디를 구하러 간다.
간신히 우디를 만났으나 우디는 스팅키에게 납치 당해 공항까지 가게 되며
버즈(팀 알렌)와 친구들은 우디와 제시 우디의 말인 불스아이까지 구조한다.

모든 장난감들이 겪는 가장 슬픈일은 바로 주인이 성장해 더이상 자신들과 놀아주지 않는 것.
우디와 버즈에게도 그 위기가 찾아온다. 앤디가 대학에 진학, 집을 떠나게 된 것.
헤어짐의 불안에 떨던 토이들은 앤디 엄마의 실수로 집을 나오게 된 이들은
우여곡절 끝에 탁아소에 기증되는 신세가 된다!

오마이갓, 어린이집 애들 장난이 아니게 난폭하고 험하다.
그리고 상상도 못했던 거대한 음모까지 숨겨져 있는 어린이집 장난감의 세계.
그러다 앤디가 여전히 자신들을 사랑한다는 사실을 알게 된 토이 군단은
앤디 곁으로 돌아가기 위해 생애 가장 큰 모험을 결심한다.

우리의 여행은 아직 끝나지 않았다!

장난감의 운명을 거부하고 떠난 새 친구 ‘포키’를 찾기 위해 길 위에 나선 ‘우디’는
우연히 오랜 친구 ‘보핍’을 만나고 그녀를 통해 새로운 세상에 눈을 뜨게 된다.
한편, ‘버즈’와 친구들은 사라진 ‘우디’와 ‘포키’를 찾아 세상 밖 위험천만한 모험을 떠나게 되는데…

당신이 기다려온 그들의 진짜 이야기가 공개된다!