距离上一次的奇幻之旅已经过去了整整11个年头，一转眼间，主人公安迪（约翰·莫里斯 配音）已经成长为了一个充满阳光的17岁少年。这个夏天，安迪即将开启他的大学生活，而他必须将自己的房间整理出来给予妹妹。可在这之前，伍迪（汤姆·汉克斯 配音）、巴斯光年（蒂姆·艾伦 配音）等其他玩具一直对与安迪的再次游戏充满期待，然而随着时间的推移，他们却被遗忘在一个尘封的箱子里。安迪对这些童年的玩伴非常珍视，因此他打算将他们收藏在阁楼上。可是，出乎意料的是，妈妈却误将这些玩具当作废物扔到了街上。玩具们心怀误会，于是愤而离开，宁愿被捐赠给阳光之家幼儿园。