Andy Davis sudah lama tidak bermain dengan mainannya, dan kini ia akan pergi ke perguruan tinggi, berniat membawa Woody bersamanya. Sedangkan Buzz Lightyear, Jessie, dan teman-teman lainnya dimasukkan ke dalam tas untuk disimpan di loteng. Sayangnya, ibunya Andy keliru menaruh tas itu di tepi jalan untuk dijemput sebagai sampah.

Mainan-mainannya pun kabur, dan karena mengira Andy ingin membuang mereka, mereka mengikuti Barbie ke kotak sumbangan yang akan dikirim ke tempat penitipan anak Sunnyside. Woody berusaha mengejar mereka, tapi gagal meyakinkan teman- temannya bahwa Andy tidak berniat membuang mereka.

Di Sunnyside, mainan Andy disambut hangat dan diajak berkeliling oleh Lots-O'-Huggin' Bear ("Lotso"), Big Baby, dan Ken, yang membuat Barbie jatuh hati. Semua mainan memutuskan untuk tinggal di sana, kecuali Woody yang tetap ingin kembali ke rumah.

Namun, sebuah harapan muncul ketika seorang anak bernama Bonnie menemukan Woody dan membawanya ke rumahnya. Di sana, Woody bermain bersama Bonnie dan mainan- mainan lain miliknya, membuka babak baru petualangan yang tak terduga.

Apakah Woody akan berhasil menemukan jalan pulang ke Andy, atau justru menemukan keluarga baru yang membuatnya betah di Sunnyside?