Мультфильм начинается с того, что Вуди, Булзай и Джесси гонятся за поездом, в котором находятся одноглазые Барт и Бэтти, а также подручные пришельцы (их шеф — доктор Эскалопп). Поезд едва скрывается в пропасти, но положение спасает Базз Лайтер! Злодеи в тупике, и поэтому используют «пса с силовым полем». Но у друзей есть «динозавр, едящий собак с силовым полем»… На самом деле, это Энди играет с игрушками, а мама снимает всё на видеокамеру.

Сейчас Энди почти 18 лет, ему остаётся 3 дня до отправки в колледж, в то время как его игрушки, в том числе Вуди и Базз Лайтер, гадают о своём будущем.

Энди собирается взять Вуди с собой в колледж, а другие игрушки спрятать на чердаке, но его мама случайно принимает пакет с игрушками за мусор и бросает его во дворе.

Вуди бежит спасать своих друзей, но оказывается, что игрушки спрятались в задней части минивэна семьи Дэвис, думая, что Энди выбросил их. Джесси считает, что игрушки должны взять на себя ответственность за свою судьбу, и убеждает всех залезть в коробку для отправки в детский сад «Солнышко», в то время как Вуди пытается объяснить игрушкам, что они были выброшены случайно. Мама Энди закрывает багажник машины, и все отправляются в детский сад.

Команда прибывает в «Солнышко». Там игрушек Энди все приветствуют с распростёртыми объятиями, в том числе, лидер детского сада — медведь Лотсо и кукла Кен, который влюбляется в Барби — игрушку Молли. Игрушки стремятся начать новую жизнь в детском саду, за исключением Вуди, у которого возникают подозрения на счёт детсадовских игрушек. Он по прежнему уговаривает друзей вернуться к Энди.

Игрушки говорят Вуди, что он должен остаться в саду, но Вуди желает найти Энди. Он совершает побег из «Солнышко», используя дельтаплан, но в итоге теряет свою шляпу и застревает на ветке дерева. Вскоре его забрала домой милая девочка из детского сада по имени Бонни, для которой Вуди стал любимой игрушкой. Там Вуди познакомился с трицератопсом Трикси, мистером Колючкой, куклой Долли, клоуном, Тоторо и единорогом Лютиком. Вуди пытается продолжить поиски Энди.

Клоун рассказывает Вуди, что он, Лотсо и Мега-Пупс (один из приспешников Лотсо) когда-то были игрушками любящей девочки по имени Дейзи. Тем не менее, в один день, она случайно оставила их в сельской местности. Когда они вернулись в дом Дейзи, то увидели, что родители Дейзи купили ей нового медведя. Лотсо был очень расстроен и разозлён. Лотсо и Мега-Пупс пошли в «Солнышко», где быстро поднялись к власти и впоследствии превратили детский сад в тюрьму, а Клоуну удалось попасть домой к Донни.

Вуди понимает, что он должен спасти своих друзей и вернуться к Энди, прежде чем тот уедет в колледж.

В то время остальные игрушки находятся в «Солнышко». Миссис Картофелина, глядя в свой утерянный глаз в доме Энди, узнает, что Энди активно ищет свои игрушки и не собирался их выбрасывать. Игрушки Энди придумали план побега из сада, но эта попытка оказалась неудачной. В ту ночь Базз Лайтер услышал разговор детсадовских игрушек, где был обнаружен ими… Злые игрушки захватили Базза, перепрограмировали его в режим «космический рэйнджер», и уговорили его стать приспешником Лотсо. Когда другие игрушки Энди начали противостоять Лотсо, а также другому Баззу, думающему, что они приспешники Зурга, они оказались заперты. В это время Мега-Пупс находит шляпу Вуди на игровой площадке детского сада, и злые игрушки начинают обдумывать план захвата Вуди.

На следующее утро, Вуди возвращается в «Солнышко» через рюкзак Бонни, быстро находит друзей и извиняется перед тем, что оставил их одних. Они начинают новый план побега, но уже при помощи «телефона».

Ночью, Вуди и Спиралька идут в главный кабинет, где «телефон» им рассказал про главную охранную систему — Обезьяну с тарелками. После боя с победой, Спиралька подаёт сигнал остальным для побега. Позже они ловят другого Базза и пытаются починить его, но случайно включают режим «Испанский язык», что не только изменяет язык общения Базза, но и превращает его в галантного кавалера, это очень удивляет Джесси.

Они пробираются на детскую площадку, и после нескольких опасных положений, приходят к мусорному контейнеру. Это, по словам «телефона», место, куда отправляют сломанные игрушки, и единственный выход из «Солнышка».

У друзей почти получилось, но им приходится противостоять Лотсо, который «сломал» «телефона» во время рассказа про план спасения. Вуди и Лотсо попадают в контейнер для мусора, а на Базза падает телевизор, возвращая его в прежний режим.

Игрушки оказываются на заводе переработки, где пришельцы замечают «клешню» — подъёмный кран. Игрушки оказываются на конвейере, а Лотсо предаёт их и уходит. Но на помощь приходят пришельцы и их «клешня»!

Тем временем Лотсо оказывается привязан к бамперу грузовика мусорщиком по имени Сид, которому раньше принадлежал Лотсо. Благодаря грузовику игрушки возвращаются к Энди, на свои места.

Тут Энди берёт игрушки (кроме Вуди) и везёт их к… дому Бонни! Просто Энди отдал все свои игрушки Бонни, которая была дочкой его знакомых, на время отъезда в колледж. В компанию попадает Вуди, принявший правильное решение - остаться с друзьями. Энди очень удивлён внезапным появлением любимой игрушки. Бонни очень рада, что ковбой вернулся. Юноша не уверен, что Бонни справится, но девочка обещает хорошо заботится о новых игрушках.

В самом конце фильма игрушки празднуют переезд, Барби и Кен снова друзья, а Джесси использует режим испанского языка, чтобы станцевать с Баззом по-испански главную песню трилогии «You’ve Got a Friend in Me».

http://vkontakte.ru/video9690878_150123740?h=4fdbaa3b1427d4a1&hd=1