Мультфильм начинается с того, что Вуди, Бунзай и Джесси гонятся за поездом, в котором находятся одноглазые Барт и Бэтти (мистер и миссис Картофельная Голова), похитившие перевозимое в поезде золото. Барт и Бэтти удирают вместе с пришельцами из «Планеты Пицца» на розовом автомобиле «Шевроле Корвет» с кузовом кабриолет. Поезд падает вниз, так как железная дорога была подорвана динамитом, но его вытаскивает Базз Лайтер. Злодеям удрать не удаётся, они в тупике, и поэтому используют «пса с силовым полем» (Спиральку). Но у друзей есть Рекс, «динозавр, едящий собак с силовым полем». И тут появляется дирижабль, в котором — доктор Эскалоп (Хэмм). Он забирает своих приспешников к себе, а сам обрекает героев на «смерть от обезьян»… На самом деле это Энди играет с игрушками, точнее, игрушки смотрят видеозапись жизни маленького Энди.

Сейчас Энди 17 лет, ему остаётся три дня до отъезда в колледж, в то время как его игрушки гадают о своём будущем. Из игрушек у Энди остались: Вуди, Базз Лайтер, Джесси, Булзай, Мистер и Миссис Картофелины, Хэмм, Рекс, Спиралька и трое пришельцев из «Планета-пицца». Остальные, в том числе Хрипун, Экран и Бо Пип были проданы несколько лет назад на домашней распродаже, о чём говорит Вуди, заверяя, что у них «прекрасные хозяева».

Энди решает взять Вуди с собой в колледж, а другие игрушки спрятать на чердаке. Он складывает их в пакет и готовится отнести наверх, но по нелепейшей случайности они остаются на полу в коридоре. Мама принимает их за мусор и бросает во дворе.

Увидев это, Вуди бежит спасать своих друзей, однако выясняет, что игрушки спрятались в гараже. Они ошибочно подумали, будто Энди хотел их выбросить. Джесси считает, что игрушки должны взять на себя ответственность за свою судьбу, и убеждает всех залезть в коробку с пожертвованиями детскому саду «Солнышко». Вуди же пытается объяснить игрушкам, что они были выброшены случайно, однако, не успевает убедить: мама Энди закрывает багажник машины, и все отправляются в детский сад. В коробке они встречают Барби — игрушку Молли, младшей сестры Энди, которую та тоже решила отдать.

Команда прибывает в «Солнышко». Там игрушек все приветствуют с распростёртыми объятиями, в том числе, лидер детского сада — плюшевый медведь Лотсо («Обнимишка»), а также Кен, который влюбляется в Барби. Игрушки стремятся начать новую жизнь в детском саду. Но Вуди решает вернуться к Энди и ехать с ним в колледж. Он пытается совершить побег из «Солнышка», используя дельтаплан на крыше, однако побег не удаётся. В итоге Вуди теряет свою шляпу и застревает на ветке кустарника. Его находит и забирает домой милая четырёхлетняя девочка по имени Бонни (дочь знакомых семьи Энди). Там он познакомился с трицератопсом Трикси, ежом мистером Колючкой, куклой Долли, Тоторо и единорогом Лютиком, принимает участие в весёлых играх. Однако он всё же желает вернуться к Энди и за компьютером вычислил, что дом Энди недалеко.

Узнав, что Вуди был в «Солнышке» и спасся оттуда, а его друзья до сих пор там, игрушки Бонни приходят в ужас. Клоун (ещё одна игрушка Бонни), впавший в депрессию, рассказывает Вуди, что он, Лотсо и Мега-Пупс (ныне один из прихлебателей Лотсо) когда-то принадлежали любящей девочке Дейзи. Лотсо был главным любимцем. Но однажды она отправилась на автомобильную прогулку. На привале они поиграли, а Дейзи уснула после обеда и случайно оставила их в сельской местности. Когда они вернулись в дом Дейзи, то увидели, что родители купили ей нового медведя (возможно, не по её просьбе, а из нежелания искать нечаянно забытого Лотсо). Лотсо был очень расстроен и разозлён. Он решил, что Дейзи заменила всю троицу, и потому запретил возвращаться домой и остальным. Они долго скитались, брошенные, нелюбимые, ненужные, пока наконец не пришли в «Солнышко». Но Лотсо уже не был другом клоуну — он никому не был другом. Он захватил власть в «Солнышке» и устроил там настоящий концлагерь для игрушек. Самому клоуну, к счастью, повезло больше — он был сломан детьми и выброшен, а Бонни нашла его, пожалела и забрала домой, где починила.

Вуди понимает, что он должен спасти своих друзей и вместе вернуться к Энди, прежде чем тот уедет в колледж. Он встречает игрушечный Телефон, который рассказывает Вуди, что главное — избавиться от обезьяны-сторожа с тарелками, которая сидит в вахтёрской и наблюдает за детским садом с помощью видеокамер. Если кто пытается сбежать - обезьяна подаёт сигнал, и неудачливого беглеца ловят. Так в своё время были пойманы игрушечный кролик, пингвин-пирамидка и несколько кукол.

Тем временем остальные игрушки находятся в «Солнышке». Им не очень нравится, что они попали в комнату для самых маленьких — «Комнату Гусеничек», ибо игры оказываются отнюдь не такими весёлыми, как хотелось. Малыши не умеют как следует обращаться с игрушками — пинают и мусолят их, пачкают краской. Базз Лайтер решает выбраться оттуда, дабы попросить Лотсо перевести их в «Комнату Бабочек». Он случайно подслушивает разговор «детсадовской мафии» о том, что «новички — просто хлам для малолеток», после чего его замечает и хватает Мега-Пупс. Злые игрушки переключают Базза в режим «Демо», после чего он снова начинает думать, будто он настоящий космический рейнджер, а его друзья — слуги императора Зурга. Теперь медведю ничего не стоит сделать его своим соратником. В это время миссис Картофельная Голова, глядя своим потерянным глазом в доме Энди, узнаёт, что Энди активно ищет свои игрушки, и он вовсе не собирался их выбрасывать. Узнав это, игрушки Энди решают уйти из «Солнышка», но натыкаются на злого Базза и приспешников Лотсо, которые запирают их в клетки (но Барби ни в чём не виновата, её случайно заперли в клетку). Медведю нужны добровольцы для «Комнаты Гусеничек», поскольку никто из его шайки сам не хочет участвовать в подобных играх. Поэтому всех новичков пытаются уничтожить для младшей группы, добровольно или принудительно.

На следующее утро Вуди возвращается в «Солнышко» в рюкзаке Бонни, быстро находит друзей и извиняется за то, что оставил их одних. Они решают немедленно бежать вместе и разрабатывают план.

Ночью Вуди и Спиралька прокрадываются в вахтёрскую, где сидит главная «охранная система» — игрушечная обезьяна с тарелками. С трудом обезвредив сопротивлявшуюся обезьяну, Вуди находит ключ от сада, чтобы остальная часть игрушек выбралась, а Спиралька подаёт им сигнал. Тем временем Барби заставляет Кена объяснить, что случилось с Баззом (пытая его разрыванием всей его одежды), и он признаётся во всём. Надев его космо-костюм, Барби заполучает инструкцию от Базза. Команда ловит злого Базза и пытается починить его, но случайно включает 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, минуя опасности, приходят к мусорному контейнеру. Это единственный выход из «Солнышка».

У друзей почти получается, но им преграждает путь Лотсо и его шайка, которые сумели выследить друзей. Вдруг ввозят побитый Телефон, которого сломали сообщники Лотсо за разглашение тайны. Кен, после общения с Барби решивший пересмотреть свои принципы, неожиданно переходит на сторону игрушек Энди. Вуди напоминает Лотсо про Дейзи, но тот непреклонен и считает, что все игрушки — просто мусор, который потом выбросят на помойку. Но ковбой напоминает Лотсо о том, что Дейзи вовсе не хотела отвергнуть его, а просто забыла забрать его с места, где случайно оставила. Разозлённый Мега-Пупс, узнав, что Лотсо солгал ему, плачет и сталкивает медведя в контейнер для мусора, но затем туда попадают остальные игрушки — один из инопланетян был прищемлен крышкой бака. Вуди спасает его, но Лотсо утаскивает и его в бак. Чтобы спасти Вуди, остальные тоже прыгают в бак. Базз пытается спасти Джесси из груды мусора, в итоге на него падает телевизор, возвращая его в прежний режим.

Игрушки оказываются на заводе переработки, где пришельцы замечают «клешню» — подъёмный кран. Увидев «Клешню», пришельцы бегут к ней. Машина выгружает остальных на конвейер, ведущий в мусоросжигатель. Друзья пытаются спастись при сортировке металлолома, но в последний момент замечают Лотсо, молящего о помощи. Вуди и Базз вытаскивают его, после чего вновь оказываются на конвейере, и конец, казалось бы, неминуем. Лотсо замечает кнопку, останавливающую конвейер, просит подсадить его и обещает спасти всех — но в последний момент все-таки уходит, высокомерно хмыкнув и сказав, что без хозяина им не спастись. Игрушки попадают очень близко к огромному костру, сжигающему мусор. Они зажмуриваются и берутся за руки, ожидая конца, однако на помощь приходят пришельцы, захватившие управление краном — они находят и вытаскивают друзей.

Тем временем сбежавшего Лотсо подбирает какой-то сентиментальный мусорщик, у которого в детстве был такой же медведь, привязывает его к капоту своего грузовика и уезжает (что медведю не нравится, но теперь он уже ничего не может сделать). Игрушки Энди же встречают мусорщика своего округа (Сида Филлипса — главного злодея первой части) и с его машиной возвращаются домой.

Дома Энди очень удивляется и радуется, найдя их в коробке. Вуди в последний момент решает определить судьбу своих друзей: он пишет на коробке адрес Бонни и сам забирается внутрь к остальным. В итоге Энди дарит всю компанию Бонни, при этом он удивляется, что она прекрасно знает Вуди и даже одну из его фраз. Перед отъездом они вместе играют с игрушками во дворе и таким образом мечта игрушек сбывается.

Во время титров игрушки празднуют переезд, Барби и Кен становятся лидерами в «Солнышке» и отменяют прежние жестокие порядки, а Джесси и Базз танцуют пасодобль под испанскую версию заглавной песни трилогии — «You’ve got a friend in me». Мега-Пупс теперь не жестокий палач и правая рука Лотсо, а полноправная игрушка. Клоун вновь становится весёлым, видя свой новый портрет, а Телефон починен.